IETF 6TiSCH 工業物聯網研究綜述：標準、關鍵技術與平臺*

楊 偉，汪 浩，萬亞東，曹遠龍，劉清華

1.江西師范大學 軟件學院，南昌330022

2.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京100083

1 引言

物聯網是一種新型的網絡形態，它通過大量的物理感知設備,按照一套標準的通信協議,實現任何物品的智能化識別與實時狀態監管[1-3]。物聯網可以廣泛應用在環境監測、智慧城市、智慧醫療以及工業控制等領域[4-5]，其中工業物聯網是物聯網領域中最為重要的發展方向之一。美歐發達國家正著手將工業物聯網技術應用于高端制造業。《中國制造2025》戰略規劃指出“推動物聯網、大數據等新一代信息技術與傳統制造業深度融合，促進傳統制造業向智能制造轉型升級”任務。由此可見，工業物聯網是未來智能制造領域中一套核心支撐技術體系。

工業和信息化部于2018年5月發布了《工業互聯網發展行動計劃（2018—2020年）》報告，其明確提出了采用一批新的無線通信技術來升級建設工業互聯網，并計劃到2020年底初步建成高可靠、廣覆蓋、大帶寬并且支持互聯網協議第六版（IPv6）的工業互聯網基礎設施和產業體系。由于標準在新的通信技術發展與應用過程中起到至關重要作用，各個國家及相關標準工作組在該領域展開了激烈競爭。目前，無線物聯網接入技術主要分為短距離和長距離無線通信技術。短距離無線通信技術標準主要包括IEEE802.15.4 標準協議、IEEE802.15.1 標準協議以及IEEE802.11 標準協議。長距離無線通信技術特別是低功耗廣域網（low-power wide-area network，LPWAN）在物聯網領域發展迅速，代表性技術包括窄帶物聯網NB-IoT[6]和LoRa[7]，其中窄帶物聯網NB-IoT 工作頻譜需要授權。目前，工業物聯網領域中有三個典型的國際標準，其分別是ISA100[8]、WirelessHART[9]和WIA-PA[10]，以上三大國際標準均采用了基于IEEE802.15.4 標準協議的短距離無線通信技術。

IEEE802.15.4 標準也是在不斷更新中。早期IEEE802.15.4—2006標準[11]主要存在空閑監聽和抗干擾能力差問題，無法滿足工業無線應用對低功耗和高可靠的要求。2012年4月，IEEE802.15.4e 新標準[12]正式發布，其采用時隙跳頻（time synchronized channel hopping，TSCH）新技術。在IEEE802.15.4e TSCH 網絡中，節點之間通過精確時間同步來協調工作狀態，可以減少空閑監聽時間,從而達到低功耗目的；節點之間的通信信道是不斷變化的，該跳頻機制可以提高無線通信可靠性。研究表明，IEEE802.15.4e TSCH新技術可以使得工業無線通信的可靠性接近有線通信的可靠性[13]。

2013年，互聯網工程任務組（Internet engineering task force，IETF）成立了6TiSCH（IPv6 over the TSCH mode of IEEE 802.15.4e）標準組，其主要目標是制定一套完整的工業物聯網協議棧[14-15]。IETF 6TiSCH 工業物聯網融合了IPv6 技術與低功耗無線通信技術，使得工業物聯網節點可以無縫連接到基于IP 的互聯網，推動了工業化與信息化的融合，促進了工業物聯網協議的標準化發展，為未來工業互聯網發展提供核心技術支撐。圖1為IETF 6TiSCH 工業物聯網的總體框架圖，資源受限節點運行了一套標準的物聯網協議棧，從而可以實現與遠端的服務器進行相互通信。該協議棧自頂向下主要包括：應用層CoAP 協議[16]、傳輸層UDP 協議、IPv6 網絡層協議、鏈路層協議和物理層IEEE802.15.4 協議。IPv6 網絡層協議比較復雜，主要由RPL[17]、ICMPv6 與6LoWPAN協議[18]組成。鏈路層協議包括6TOP[19]、MSF[20]與IEEE802.15.4e TSCH 協議[12]。

Fig.1 Framework of IETF 6TiSCH industrial Internet of things圖1 IETF 6TiSCH 工業物聯網的總體框架圖

IETF 6TiSCH 工業物聯網在網絡層引入IPv6 技術,可以解決海量的資源受限物聯網節點無縫接入基于IP 的互聯網問題；在鏈路層引入時隙跳頻技術，可以解決復雜工業環境下無線通信的可靠性和低功耗的問題。IETF 6TiSCH 標準組一直致力于工業物聯網架構、標準、關鍵技術與平臺等相關研究，截止到2019年4月，其已經發布了6TiSCH 系統架構、最小的安全框架、最小的調度框架與6TOP 子層協議等相關草案10 余份。為了有效地對新的標準草案進行性能評估，IETF 6TiSCH 標準組核心成員開發了一套OpenWSN開源平臺[21]。目前，OpenWSN 開源軟件可以很好地支持GINA、TelosB、OpenMote-CC2538與OpenMoteSTM 等十余種硬件平臺。IETF 6TiSCH工業物聯網憑借其低功耗、高可靠、實時性以及支持IPv6 技術等特點，將在未來工業物聯網領域起到至關重要作用。因此，深入研究IETF 6TiSCH 工業物聯網的標準、關鍵技術與平臺具有重要的理論和現實意義。

2 發展歷程及現狀

標準通信協議在工業物聯網發展過程中起到至關重要作用，過去工業物聯網領域的通信標準各式各樣（如ZigBee、ISA100[8]、WirelessHART[9]等），不同通信標準會導致設備之間互操作性差。另外，將IPv6 技術引入工業網絡標準是大勢所趨，也是工業化與信息化深度融合的必然要求?；ヂ摼W工程任務組基于以上背景成立了IETF 6TiSCH 標準組，負責制定一套開放、完整的工業物聯網標準協議。由于工業物聯網協議主要應用于條件苛刻的工業過程控制領域，與普通物聯網協議相比，其對可靠性、低功耗和實時性要求更加苛刻。工業物聯網協議在制定過程中主要面臨兩大難題：（1）在復雜工業環境下，如何實現高可靠、低功耗無線通信；（2）如何將海量的資源受限邊緣節點接入基于IP 的互聯網。IETF 6TiSCH工業物聯網協議是在各種標準和技術基礎上逐步發展起來的，并很好地解決了以上兩個難題。

IETF 6TiSCH 工業物聯網發展早期，主要解決復雜工業環境下如何達到高可靠性和低功耗無線通信的難題。早期工業無線國際標準ISA100[8]和WirelessHART[9]以及ZigBee 協議在通信底層均采用IEEE802.15.4—2006 標準，而IEEE802.15.4—2006 標準存在單一信道通信和空閑監聽的問題。在復雜工業環境下，單一信道通信容易受到各種干擾，網絡丟包率非常大?？臻e監聽就是節點的射頻必須一直處于監聽狀態，從而造成能量浪費。IETF 6TiSCH 工業物聯網采用TSCH 技術，解決了復雜工業環境下無線通信可靠性和低功耗的難題。在時隙跳頻網絡中，節點之間需要保持精確的時間同步，通過資源調度算法協調節點之間在何時使用哪個信道通信，網絡空閑時節點可以進入休眠狀態，從而可以降低能耗。在復雜工業環境下，跳頻通信技術可以增強抗干擾能力，大大提高無線通信的可靠性[22-23]。研究表明，在復雜工業環境下，采用TSCH 技術，工業無線網絡可以達到超低功耗和接近有線通信的可靠性[24]。IETF 6TiSCH 工作組通過采用時隙跳頻關鍵技術，解決了工業物聯網發展過程中通信可靠性與低功耗的難題。

另外，如何將海量的工業物聯網節點接入現在基于IP 的互聯網，以推動工業化與信息化的融合也是工業物聯網發展過程中的一大難題。傳統的工業監控網絡與基于IP 的互聯網無法直接進行通信，IETF 6TiSCH 工業物聯網通過引入IPv6 技術，使得工業物聯網節點可以無縫連接到基于IP 的互聯網。將IPv6 技術引入到資源受限的工業物聯網環境是一件非常困難的事情，需要對現有IP 協議進行大量深度修改。IETF 6LoWPAN 標準工作組[18]是比較早從事該方面研究的團隊，其在編址、報頭壓縮、分片和鄰居發現等方面進行了大量的前期研究，并于2007年發布了第一個6LoWPAN規范。但是，IETF 6LoWPAN標準主要建立在早期的IEEE802.15.4—2006 鏈路層標準之上，對后期IEEE802.15.4 新標準缺乏支持。2008年IETF RoLL 工作組正式成立，其目標在低功耗有損網絡（low-power and lossy networks，LLN）中設計一套IPv6 路由協議，并命名為RPL[17]。IETF 6TiSCH 工作組在整合了先前6LoWPAN 協議和RPL協議基礎上，對復雜IPv6 網絡層協議進行不斷修改與完善，使得其可以運行在低功耗、高可靠的IEEE802.15.4e TSCH 協議之上，以解決工業物聯網協議面臨的第二個難題。

IETF 6TiSCH 工作組仍在不斷完善該協議棧，以更好推動工業物聯網標準的發展。比如，標準中沒有定義壓縮IPv6 數據包選用哪個時隙哪個信道進行發送，如何提供最基本的安全服務以抵御攻擊者入侵等。目前IETF 6TiSCH 工作組重心在于網絡架構完善、資源分配算法、最小安全架構以及驗證測試平臺搭建，其中2019年3月發布了6TiSCH 網絡架構的規范[25]，2019月8月發布了資源分配算法和最小安全架構的規范。截止到目前為止，IETF 6TiSCH 工業物聯網的資源分配算法和最小安全架構仍然在完善中，其正式RFC 文檔需要到2020年發布。

3 標準協議

IETF 6TiSCH工業物聯網協議棧自頂向下主要包括：CoAP 應用層協議[16]、UDP 傳輸層協議、IPv6 網絡層協議[17]、IEEE802.15.4e鏈路層協議[12]和IEEE802.15.4物理層協議。由于UDP 傳輸層協議是直接從互聯網標準中借鑒過來，并非IETF 6TiSCH 工作組設計的。因此，本文將不詳細介紹UDP 傳輸層協議。

3.1 CoAP 應用層協議

IETF CoRE 工作組于2014年正式發布CoAP 標準[16]，它是一種專用于資源受限網絡的Web 應用層協議。資源受限網絡中節點的計算、存儲和能量受限，典型的是低功耗無線個人區域網（low-power wireless personal area networks，LoWPANs）。CoAP 是一種基于REST 架構的物聯網應用層協議，其采用了請求/響應通信模型。CoAP 協議相比于互聯網應用層HTTP協議更加輕量級，數據包長度僅為4 Byte，主要運行在UDP 協議和DTLS 協議[26]之上。

CoAP 協議信息被編碼成簡單二進制格式。如圖2 所示，CoAP 協議報文的頭部長度為4 Byte，由版本號Version、報文類型Type、CoAP 標識符長度Token Length、功能碼/響應碼Code和信息編號組成。信息頭部后面是Token 字段，其一般用于請求包與響應包之間的匹配。Token 的長度是可變的，一般為0～8 Byte，信息頭部中TKL 字段可以指定Token 長度。Options為報文選項，通過報文選項可設定CoAP 主機、CoAP URI、CoAP 請求參數和負載媒體類型等。Payload 為負載信息，該字段必須以0xFF起始，后面跟消息內容。

Fig.2 Format of CoAP protocol message圖2 CoAP 協議報文格式

CoAP 使用URI 方式來標識與定位網絡資源。CoAP URI的格式是Coap://ipv6::addr[port]/well-known/，其中ipv6::addr 是必填項，port 字段為UDP 協議的端口號，well-known 是資源名稱。

3.2 IPv6 網絡層協議

IETF 6TiSCH 工業物聯網的通信協議棧在網絡層上引入IPv6 新協議，使得海量的物聯網節點可以無縫接入互聯網，實現了可操作技術與信息技術的融合。IETF 6TiSCH 物聯網中IPv6 網絡層協議比較復雜，其主要由RPL[17]、ICMPv6 與6LoWPAN[18]等協議組成。IPv6 數據報的格式如圖3 所示，其源地址和目的地址均為128 bit。IPv6 數據報的頭部中下一個首部字段為58 時，表示數據報類型是ICMPv6。

Fig.3 Format of IPv6 data message圖3 IPv6 數據報的格式

IPv6 RPL 是一種距離矢量路由協議，主要應用于低功耗有損網絡。RPL 通過使用目標函數和度量構建有向非循環圖（destination oriented directed acyclic graph，DODAG），從而使得葉子節點可以很快找到去根節點的路徑。RPL 路由協議將網絡的拓撲構建成有向非循環圖，主要分為兩個階段：向上路由和向下路由建立。向上路由是通過周期性廣播DIO 包方式建立的，從而構建一條從葉子節點到根節點的路徑；向下路由是通過周期性向邊界路由器發送DAO 包方式建立的，從而構建一條從根節點到葉子節點的路徑。如圖4 所示，RPL 路由協議構建有向非循環圖的具體步驟如下：（1）邊界路由器首先使用DIO 消息來廣播有關圖的信息；（2）邊界路由器的鄰居節點A收到DIO 消息后，根據Rank 值、跳數和信號質量等參數，通過目標函數計算一個綜合評估值，然后決定是否加入到這個DODAG 圖；（3）節點A選擇加入到圖中，于是節點A與邊界路由器之間建立起一條路由，邊界路由器會成為節點A的父節點。節點A計算自己在圖中Rank 值，接著向邊界路由器發送包含路由前綴信息的DAO 消息。節點B與C以同樣方式加入到有向非循環圖中。在RPL DODAG 圖中，節點之間的Rank 值大小是有規律的，子節點Rank 值在父節點Rank 值的基礎上增加RankIncrease（RankIncrease>0）。假設節點N和節點P（P為父節點），其Rank 大小關系如式（1）所示。另外，RPL 協議中規定RankIncrease計算方法，具體計算過程如式（2）所示，其中numTx代表發包個數，numTxAck代表收到ACK 包數量。

Fig.4 Process of building DODAG in IPv6 RPL protocol圖4 IPv6 RPL 路由協議構建有向非循環圖的過程

互聯網控制信息協議第6 版本（Internet control managemet protocol version 6，ICMPv6）是IPv6 網絡層協議的重要組成部分，主要用于鄰居節點發現、網絡狀態檢測與差錯報告。鄰居發現協議實現了地址解析與鄰居的狀態跟蹤功能。ICMPv6 協議會記錄鄰居IPv6 地址與物理網卡地址的對應關系。網絡狀態檢測可以判斷網絡中任意兩個節點能否通信。差錯報告是ICMPv6 中重要報文類型，其主要包括超時、目的不可達和數據包過長等。另外，ICMPv6 協議提供了無狀態自動配置IPv6 地址功能，從而使得IPv6 終端設備可以方便地接入IPv6 網絡。

IETF 于2004年開始成立6LoWPAN（IPv6 over low power wireless personal area networks）協議工作組[18]，負責制定可以運行在低功耗個人局域網的IPv6協議。IEEE802.15.4 鏈路層規定數據包最大長度為127 Byte，而標準IPv6數據報頭部達到40 Byte，留給數據部分長度很短。6LowPAN 通過對IPv6 包頭進行壓縮，將IPv6數據報頭部縮減為2 Byte。此外，6LowPAN采用分組實現應用層對于物理層的透明傳輸，支持IPv6 的1 280 Byte 長數據包，并通過在包頭中添加MESH 路由字段，實現基于IPv6 的多跳路由轉發。

3.3 IEEE802.15.4e鏈路層協議

Fig.5 Example of IEEE802.15.4e TSCH network communication圖5 IEEE802.15.4e TSCH 網絡通信示意圖

IEEE802.15.4e鏈路層協議采用TSCH 關鍵技術，可以實現一個低功耗、高可靠的無線網絡[12]。研究表明，射頻模塊能量消耗占傳感器節點功耗50%以上[27]。因此，如何降低傳感器節點的空閑監聽時間在低功耗無線網絡中是一個關鍵問題。在IEEE802.15.4e TSCH 鏈路層協議中，網絡中節點需要保持精確時間同步。節點大部分時間處于休眠狀態，僅在有數據包收發的時隙才打開射頻模塊。圖5表示IEEE802.15.4e TSCH 網絡通信示意圖。橫軸代表時間，時間由許多時隙組成，時隙長度一般10 ms，超幀是多個時隙組合，它是周期性重復的。縱軸代表信道，通過使用不同信道實現跳頻技術，從而可以抵抗周圍環境中噪聲干擾和多徑干擾，提高無線通信可靠性。在一個超幀周期中，節點D僅在時隙2 和時隙100 處于工作狀態，其他時候都可以休眠以降低功耗。在一個時隙內部，通常有足夠長的時間讓一對節點交換數據包，節點需要精確的時間去發送和接收數據包，但是如何進行高精度時間同步將在本文4.1 節進行介紹。同一個節點可以在不同時隙使用不同信道進行通信，如節點B在時隙2 使用信道2 進行通信，在時隙3 使用信道1 進行通信。

在IEEE802.15.4e TSCH 網絡中，節點之間通信信道計算如式（3）所示，其中ASN表示網絡時隙值，ChannelOffset表示信道偏差，chTemplate表示默認跳頻序列數組，IEEE802.15.4e 標準中建議默認的跳頻序列5,6,12,7,15,4,14,11,8,0,1,2,13,3,9,10；NC表示當前可用信道數目，默認大小為16；f代表節點實際無線通信信道，通常2.4 GHz無線信道從11 到26。超幀由若干個時隙組合而成，故ASN=T×NS+X，其中T表示超幀周期，NS表示超幀中時隙個數，X表示超幀中時隙偏差。因此，節點之間通信信道計算公式也可以表達為式（4）。在IEEE802.15.4e 網絡中，節點的通信資源可以通過[X,ChannelOffset]二元組表示，其也可以稱為Cell，Cell 是資源分配的基本單元。在IETF 6TiSCH 工業物聯網的通信協議棧中，6TOP 和MSF子層協議定義了資源分配相關操作及算法，其中6TOP 子層協議定義了相鄰節點之間對時隙增加或者刪除操作，MSF 定義的6TiSCH 網絡最小資源調度算法，本文4.2 節將進行深入的分析。

3.4 IEEE802.15.4 物理層協議

IEEE802.15.4 物理層主要任務是射頻模塊開啟和關閉、通信信道的選擇、鏈路質量預測以及數據發送和接收。IEEE802.15.4 物理層使用了868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 三個公共頻段，并且支持ASK、BPSK 和O-QPSK 多種調制方法。大部分支持IEEE802.15.4 標準的射頻模塊（如CC2420）的數據傳輸速率最高可達250 Kb/s，通信距離可達100 m。目前，三大工業無線國際標準ISA100[8]、WirelessHART[9]和WIA-PA[10]在物理層上均采用IEEE802.15.4 標準。表1 對比了IETF 6TiSCH、LoRa 與NB-IoT 三種物聯網技術物理層的性能指標。IETF 6TiSCH 物聯網通信距離比LoRa、NB-IoT 短很多，其屬于短距離無線通信技術，但是其支持網狀網的拓撲結構，可以延長其感知范圍。從功耗角度分析，其發送功率和接收功率遠低于LoRa和NB-IoT。

Table 1 Comparison of physical layer parameters of three kinds of Internet of things technologies表1 三種物聯網技術的物理層參數對比

4 關鍵技術

在構建一套低功耗、高可靠的IETF 6TiSCH 工業物聯網平臺過程中，需要涉及到高精度時間同步、資源調度以及安全等多項關鍵技術。

4.1 高精度時間同步技術

在IETF 6TiSCH 網絡中，每個節點都需要保持精確的時間同步，從而可以在精確的時間去發送和接收數據包。因此，高精度時間同步技術是IETF 6TiSCH 網絡中一項關鍵技術。傳感器節點的計算能力、存儲能力以及能量受限，不會配備高精度時鐘源（如GPS），通常采用低功耗的晶振作為時鐘源，從而使得設計高精度時間同步技術成為一項挑戰。IETF 6TiSCH 網絡中時間同步分為兩個階段：（1）新節點入網時需要進行ASN 時間同步；（2）節點成功入網后的Device-to-Device 時間同步。

ASN 是整個網絡資源分配和正常通信的最重要的基礎，網絡中所有節點必須與網絡保持ASN 同步。在IETF 6TiSCH 網絡中，已入網的節點會周期性廣播EB（enhanced beacon）包。新節點入網時，監聽來自鄰居節點的EB 包。EB 包中主要包含了JP（join priority）值和ASN 值，其中JP 值代表了節點在網絡的層級關系。通常，新入網的節點會從選擇一個JP值更小的鄰居節點加入，并默認該節點為其路由父節點。新入網的節點在入網的同時獲取到了路由父節點的ASN 值，然后每隔一定時間（典型10 ms）進行自增。

節點成功加入網絡后，需要進一步采用Deviceto-Device 時間同步機制來保持精確的同步。由于傳感器晶振在制造工藝、電壓和溫度等方面存在差異，其自身存在時鐘偏移的現象（典型30 ppm）。因此，節點之間需要周期性進行Device-to-Device 同步。在IETF 6TiSCH 網絡中，RPL 路由會將網絡組織成一個樹狀分層結構。為了節省能耗，IETF 6TiSCH 網絡使用網絡樹狀結構作為時間同步樹，子節點需要與自己父節點進行同步。Device-to-Device 時間同步包括兩種同步方式：Frame-based 同步和Ack-based 同步。圖6（a）表示了Frame-based 時間同步過程。子節點需要提前一段時間開啟射頻，這段時間稱為保護時間（guard time，GT）。父節點在時隙模板的TsTxoffset ms時刻發送數據包，子節點收到數據包的前導碼后記錄下當前的時間，然后通過式（5）計算時間偏差。當獲取到時間偏差后，子節點可以通過式（6）調整自己的時隙長度，從而與父節點保持精確的同步。圖6（b）表示了Acknowledgment-based 時間同步過程。與Frame-based 同步不同，Acknowledgment-based 時間同步是子節點向父節點發起同步請求，父節點通過Ack 包將時間偏差信息發送給子節點，然后子節點調整自己的時隙長度，從而與父節點保持精確的同步。

在IETF 6TiSCH 網絡時間同步過程中，需要周期性交換同步包，以維持高精度時間同步。為了降低同步過程中的能量開銷，一些自適應時間同步算法相繼被提出[28-30]。Stanislowski 等人[28]提出一種小巧的自適應同步算法，通過建立相鄰節點的時鐘偏差模型，然后周期性地進行軟件補償，從而有效地降低時鐘偏移速度。該算法可以減少10%以上的同步包數量，提高網絡壽命。Chang 等人[29]進一步提出了多跳網絡下自適應同步算法，其通過RPL 路由構建無環的時間同步樹，子節點與上級父節點保持精確的時間同步，并針對多跳網絡同步容易導致誤差累積現象，提出上級父節點同步完后子節點應該立即同步的策略。

Fig.6 Two methods in device-to-device synchronization圖6 Device-to-Device 時間同步的兩種方式

4.2 資源調度

在IETF 6TiSCH 工業物聯網中，IEEE 802.15.4e TSCH 鏈路層協議定義了時隙跳頻通信機制。但是，節點使用哪個時隙哪個信道進行通信缺乏定義，從而使得資源調度成為該物聯網中的一個至關重要技術。IETF 6TiSCH 工作組及其他研究團隊都在對資源調度關鍵技術展開深入研究。資源調度主要任務：（1）當資源不足以處理當前流量時，應該增加cell；（2）當資源過載時，應該減少cell 以節約資源。資源調度方式主要分為集中式和分布式兩大類。集中式資源調度需要一個計算能力比較強的網關，其可以提供無沖突分配方案，可以最大化網絡吞吐量，典型集中式資源調度算法包括流量感知算法[31]、基于隊列調度[32]與機會選播調度[33]等。集中式資源調度適用于靜態網絡，對于流量或拓撲經常變化的網絡，網關需要重新計算并分配資源，帶來非常大的開銷。分布式資源調度比較靈活，可以減少鏈路建立時間以及管理帶來帶寬消耗，并且更適用于動態網絡，從而使得分布式資源調度策略研究成為當前研究熱點。目前，IETF 6TiSCH 工作組及其他研究團隊在分布式資源調度策略方面開展了大量的研究，下面將重點分析與討論其研究成果。

IETF 6TiSCH 工作組設計了6TOP 協議子層，其采用了多次握手協議，并定義了鄰居節點之間對時隙增加或者刪除操作。但是，何時需要調用6TOP 對時隙進行分配以及分配哪些時隙缺乏定義。OTF（on-the-fly）[34]是IETF 6TiSCH 工作組提出的第一個資源分配算法。OTF 算法的核心思想是節點帶寬資源的分配數量取決于其實際流量需求。OTF 算法中定義了三個參數S、R、T，其中S代表當前已分配cell 數量，R代表需要的cell 數量，T代表閾值，其具體步驟如下：

步驟1判斷當前已分配cell 數量S與實際需要的cell 數量R的大小關系，當已分配cell 數量S比需要的cell 數量R大，并且超過了預設閾值T，說明當前已分配cell 數量過多，會造成網絡資源浪費，需要調整已分配cell 數量S值，S值可設置為當前實際需要的cell 數量R與預設閾值一半（即T/2）之和；否則，進入步驟2。

步驟2當已分配cell 數量S比需要的cell 數量R大，但是沒有超過預設閾值T，說明當前已分配cell數量合適，不需要調整已分配cell 數量S值；否則，進入步驟3。

步驟3當已分配cell 數量S比需要的cell 數量R小時，說明當前已分配cell 數量不滿足實際流量需求，需要分配更多cell 才能滿足需要，S值可設置為當前實際需要的cell 數量R與預設閾值一半（即T/2）之和；否則，報錯處理。

下面，以一個實際例子說明OTF 算法運行過程。圖7 是OTF 資源分配算法在三種不同情況下運行示例圖。假設當前已分配cell 數量S(k)是11（其中k為狀態標志），預設閾值T大小3。當R(k)=4 時，說明當前已分配cell 數量過多，需要刪除一些cell，根據OTF 算法步驟1，已分配cell 數量S(k+1) 應調整為5。當R(k)=9 時，說明當前已分配cell 數量比較合適，根據OTF 算法步驟2，已分配cell 數量S(k+1)依然為11。當R(k)=15 時，說明當前已分配cell 數量不夠，需要增加cell 數量，根據OTF 算法步驟3，已分配cell數量S(k+1)應該增加到17。

Fig.7 Example of OTF allocation algorithm圖7 OTF 資源分配算法示例圖

2017年9月，IETF 6TiSCH 工作組在OTF 資源分配算法基礎上發布了SF0 標準草案[35]。SF0 是一種分布式資源調度算法，每個節點根據其當前資源分配和資源需求動態調整自身與其鄰居之間的時隙表。2018年4月，IETF 6TiSCH工作組發布了SF1標準草案[36]。SF1 是端到端分布式資源調度算法，具有逐跳預留功能，并采用分布式資源預留協議（resource reservation protocol，RSVP）[37]。實時性要求很強的應用需要保障端到端通信資源，SF1 可以分配從源到目的地的專用路徑，從而保障帶寬資源和網絡服務質量。目前，最新的MSF（minimal scheduling function）標準草案[38]正在完善中，其也是根據節點之間實際的流量來動態地分配帶寬資源。MSF 可以提供最小調度功能，包括新節點入網通信資源分配、自適應流量的資源分配以及沖突檢測等。

其他研究團隊也在分布式資源調度策略方面開展了大量的研究，主要包括DeTAS[39]、LLSF[40]、CCR[41]與ReSF[42]。DeTAS[39]是一種基于流量感知的分布式資源調度算法。在分層樹狀結構的網絡中，子節點將自己帶寬需求發送給上一級父節點，父節點計算出帶寬需求并往上發，最后根節點根據上報的帶寬需求進行合理分配，這種管理方式類似集中式，但是采用了分布式方式運作。LLSF[40]是一種低時延的分布式資源調度算法。LLSF 算法[40]在選擇時隙方式不同于SF0 標準草案中隨機選擇，其選擇相對比較鄰居時隙進行資源分配，從而可以大大降低通信時延。在資源分配過程中，可能會分配到相同cell 從而導致相互干擾，CCR[41]提出了一種沖突檢測方法，從而可以有效地降低網絡的丟包率。ReSF[42]充分考慮工業物聯網中周期性數據感知與通信特點，建立了線性規劃模型，僅在預期流量時激活資源，可以滿足公平、低延時與能量有效性等多方面性能。但是，該算法僅考慮單信道通信應用場景，而6TiSCH 是時隙跳頻網絡，應該擴展到多信道通信網絡。

4.3 安全相關技術

由于IETF 6TiSCH 工業物聯網主要應用于國家關鍵基礎設施領域，網絡安全將是其發展和應用過程中的一個關鍵問題。信息安全界RSA2017 盛會發布的七大致命攻擊中就包括對工業物聯網的攻擊。然而，當前IETF 6TiSCH 工業物聯網協議存在諸多嚴重的安全問題。由于IPv6 網絡層與IEEE802.15.4e鏈路層是IETF 6TiSCH 物聯網的核心，下面主要介紹這兩層面臨的安全挑戰及相應的安全策略。

IPv6 RPL 是一種距離矢量路由協議，其設計之初主要考慮網絡跳數、低功耗以及無線鏈路可靠性等因素，缺乏安全方面考慮。文獻[43]指出了RPL 路由協議容易遭受選擇前向攻擊、黑洞攻擊、蟲洞攻擊以及女巫攻擊；建議采用安全的加入過程、輕量級的入侵檢測方法與基于熵理論的信任模型等方案來抵御以上路由攻擊。文獻[44-46]分析了Hello 洪泛攻擊、黑洞攻擊對RPL 路由協議的影響，其將導致網絡端到端的數據傳輸率下降和延時增加。文獻[47-48]也指出了RPL 路由協議存在嚴重的安全漏洞，攻擊者很容易破壞協議正常運行。文獻[49]指出了內部攻擊者假冒網關將導致網絡中大部分信息流向攻擊者或消耗正常節點能量，然后提出了一種基于哈希鏈的VeRA 算法抵御內部攻擊。文獻[50-51]指出RPL 路由協議面臨拓撲攻擊問題，惡意攻擊節點可以通過偽造Version Number 值或者Rank 值方式來非法提高其在有向非循環圖地位，然后提出了一種連接Version Number 和Rank 的加密鏈方法。文獻[52]發現一種新的RPL 內部入侵方式，將其命名為路由選擇入侵，然后設計了一套基于ETX 度量的入侵檢測系統。文獻[53]指出僅使用信任平臺模塊（trusted platform module，TPM）來確保節點之間的信任是不夠的，內部攻擊仍然可以破壞RPL 拓撲構建，然后采用了基于節點行為的信任值方式，將安全方面的計算與處理交給TPM 模塊。文獻[54]指出6LoWPAN協議定義了資源受限物聯網設備運行IP通信的機制，但是沒有相應的安全機制，提出了一種6LoWPAN/IPsec 擴展機制來保障物聯網端到端通信的安全性。文獻[55]指出IPv6 協議采用無狀態地址自動配置方法容易暴露設備的地址，讓攻擊者可以很容易對這些設備進行監聽、追蹤和定位，然后提出一種不斷變換地址方式來隱藏正在通信設備，從而使得攻擊者無法對某個設備進行長時間的監控和追蹤。

普通無線傳感網絡（wireless sensor network，WSN）的鏈路層協議在可靠性與實時性方面存在不足，IEEE802.15.4e 鏈路層標準采用了TSCH 關鍵技術，其可以更好地滿足工業無線應用對實時性與可靠性要求。但是，該協議存在一些嚴重的安全漏洞，攻擊者可以利用這些漏洞破壞協議正常運行。文獻[56-58]指出篡改同步誤差可以破壞IEEE802.15.4e 網絡正常時間同步，可以采用加密、認證等安全機制抵 御該類攻擊，但是安全機制引入會帶來額外的時間開銷，文中采用OpenMote-CC2538硬件節點[59]和OpenWSN軟件平臺[21]來評估AES 和CCM*安全算法對最小時隙影響。文獻[60]指出選擇性干擾攻擊會破壞IEEE802.15.4e TSCH 網絡中節點的跳頻通信，文中提出了一種分布式的隨機置換超幀中時隙和信道的算法，使得節點在每個超幀中通信模式變得不可預測，攻擊者無法預測出節點通信信道。文獻[61]分析了IEEE802.15.4e 標準中加密、認證以及重放保護等安全服務的特點，指出了該標準沒有解決密鑰安全分發問題；另外，將IPsec 安全協議[62]應用于資源受限的設備是一個非常大的挑戰。文獻[63]指出WSN 中鏈路層協議無法抵御拒絕睡眠的攻擊，該攻擊將導致節點的電池壽命從幾年下降到幾天，IEEE802.15.4等安全協議均無法抵御拒絕睡眠，文中提出了一個安全防御框架，該框架包括強認證、重放保護、干擾檢測、廣播攻擊保護和自適應流量限制等安全機制，可以有效地抵御拒絕睡眠攻擊。

5 平臺

為了有效地驗證IETF 6TiSCH 工業物聯網協議棧的相關性能（如可靠性、低功耗、網絡延時等），需要搭建一套實測平臺或仿真平臺。目前，該領域有兩種比較典型的實現平臺：（1）OpenWSN 實測平臺[21]；（2）6TiSCH仿真平臺[64]。OpenWSN開源平臺是IETF 6TiSCH 工作組核心成員開發的，完整實現了IEEE802.15.4e 標準、IPv6 RPL 標準以及6TOP 協議。6TiSCH 模擬器是一套實現了IETF 6TiSCH 標準的開源仿真平臺，可以支持幾千個節點的網絡仿真。

5.1 OpenWSN 實測平臺

OpenWSN 是由Thomas Watteyne 教授研究團隊設計開發的一套低功耗、高可靠、可接入互聯網的開源物聯網平臺[21]。如圖8 所示，該平臺主要包括硬件節點、節點程序與上位機軟件三個組成部件。在硬件節點方面，目前已有TelosB、GINA、WSN430、USP Mote、IoT-LAB_M3[65]、OpenMoteCC2538[66]和Open-MoteSTM，以上硬件節點大部分采用了高性能、低功耗的ARM芯片作為微控制器。另外，以上硬件節點電路板的原理圖均公開。在節點程序方面，采用C 語言完整地實現了CoAP 協議、IPv6 RPL 協議、6LoWPAN協議、6TOP 協議、IEEE802.15.4e 協議以及各種硬件驅動程序，并且包含了一個微型的任務調度模塊。為了進一步提高節點程序的性能，IETF 6TiSCH 工作組計劃將FreeRTOS 開源實時操作系統[67]融入進來。此外，TelosB、GINA 與OpenMoteSTM 硬件節點均選用IAR 開發環境進行程序開發、編譯及燒寫。Open-WSN 平臺提供了OpenVisualizer 上位機軟件，其主要功能為管理網絡、接收來自節點的數據以及下發命令給節點。OpenVisualizer 上位機軟件采用Python 語言開發，可以可視化顯示網絡拓撲、傳感數據以及同步精度等各項參數，并且提供了一個基于離散事件的模擬器OpenSim，可以在沒有硬件節點情況下開展仿真研究。

Fig.8 Three major components of OpenWSN testing platform圖8 OpenWSN 實測平臺的三大組成部件

5.2 6TiSCH 仿真平臺

目前，網絡仿真器比較繁多，如NS-3[68]、OMNet++[69]、TOSSIM[70]等。但是，以上網絡仿真器暫時沒有實現IETF 6TiSCH 網絡協議棧，除非自己添加相關協議代碼才可以對IETF 6TiSCH 網絡進行仿真。OpenWSN開源平臺中OpenSim 模擬器可以很好地模擬IETF 6TiSCH 網絡行為，由于該模擬器中仿真節點程序基本完全兼容硬件節點，使得其僅支持幾十個節點仿真，無法支持大規模網絡仿真。

6TiSCH 模擬器[64]是一款采用Python 語言開發的開源軟件，其完整地實現了IETF 6TiSCH 物聯網標準，可以被用來測試不同條件下IETF 6TiSCH 網絡性能，并且支持幾千個節點的網絡仿真。6TiSCH 模擬器采用了Pister-Hack 無線通信的信道模型[71]。該模型被用于設置網絡中鄰居節點之間的RSSI 值，并且通過轉換可以估計出鄰居節點之間的數據包傳遞率。6TiSCH 模擬器還完成了Vilajosana 等人[72]提出的能量消耗模型，從而可以比較精確地估計出網絡能量開銷。圖9 表示6TiSCH 模擬器仿真50個節點的界面圖。該模擬器默認選擇SF0 資源調度算法，運行之后可以得到網絡的端到端丟包率、延遲以及網絡同步率等相關性能指標，并且還可以進一步分析出該網絡能耗。

6 現存問題與未來發展方向

6.1 現存問題

IETF 6TiSCH 工業物聯網在可靠性與低功耗等方面性能比較突出，并能實現與下一代IPv6 互聯網進行互聯互通。但是，目前還存在一些不足。

（1）全網同步。IETF 6TiSCH 網絡通過RPL 路由協議構建時間同步樹，葉子節點通過Device-to-Device時間同步方式與父節點進行精確同步。但是，該同步方式維持的是一種相對時間，并且多跳之后其同步誤差會變大，整個網絡沒有進行全網同步，缺乏一個絕對時間。然而，工業物聯網某些應用需要全網時間同步，比如需要采集某個時刻網絡中所有傳感器數據，目前IETF 6TiSCH 網絡缺乏這方面支持。

（2）網絡時延。工業物聯網應用對實時性要求非?？量?，需要在毫秒級時間做出反應。IETF 6TiSCH網絡在底層通信上采用時隙跳頻技術，端節點數據傳輸到根節點的網絡時延與時隙長度、網絡跳數、資源分配算法緊密相關。IETF 6TiSCH 網絡的時隙長度值10～15 ms。當網絡規模比較大時，存在遠端節點與根節點的跳數比較多，網絡時延會比較大。資源分配算法決定了節點之間何時進行數據轉發，其也將影響網絡時延。最新研究表明[42]，IETF 6TiSCH網絡規模達到50 節點時，網絡平均延時接近250 ms，這與實際工業物聯網應用有點差距。另外，IETF 6TiSCH 網絡沒有對高優先級數據包（比如告警命令）進行優先調度，其可能導致高優先級響應沒有及時處理。

Fig.9 User interface of 6TiSCH simulator圖9 6TiSCH 模擬器的界面圖

（3）安全性。由于工業物聯網主要應用于國家關鍵基礎設施領域，網絡安全將是其發展和應用過程中的一個關鍵問題。IETF 6TiSCH 工業物聯網引入了AES 對稱加密算法、基于數字證書的安全加入過程與消息完整性認證等安全機制，以提高網絡的安全性能。但是，目前該網絡無法抵御路由攻擊[50]與選擇性干擾攻擊[60]，需要進一步增強安全性能。

6.2 未來發展方向

目前，IETF 6TiSCH 工業物聯網還存在一些不足，未來要實際部署應用，還需要在以下幾個方面進一步研究發展：

（1）網絡同步。工業物聯網節點大都比較廉價，通常采用低功耗的晶振作為時鐘源。晶振計時容易受到工作環境影響（比如溫度），從而使得網絡中所有節點保持高精度同步比較困難。IETF 6TiSCH 網絡的時間同步技術可以實現相鄰節點之間相對時間同步，以滿足時隙通信要求，但是無法達到全網節點時間同步。然而，工業物聯網有時需要采集某個時刻所有傳感器數據進行對比分析。因此，如何在資源受限的工業物聯網中達到全網同步是一個重要的研究方向。

（2）資源調度。IETF 6TiSCH 網絡中節點采用時間同步信道跳頻的通信方式，如何選擇時隙與信道是一個關鍵技術。資源調度算法主要用于網絡時隙與信道資源的分配。由于集中式資源分配算法無法適應網絡流量或拓撲變化，分布式資源調度算法成為了研究重點。目前，IETF 6TiSCH 工作組以及其他研究團隊在分布式資源調度算法有一些初步成果，但是存在網絡延時過大、開銷大等問題，需要進一步研究低時延、低功耗資源調度算法。

（3）可信執行環境。由于IETF 6TiSCH 工業物聯網主要應用于國家關鍵基礎設施領域，網絡安全將是其發展和應用過程中必須考慮的問題?？尚艌绦协h境是主處理器上的一個安全區域，它提供一個隔離的執行環境，可以保證安全網絡協議中密鑰安全存儲、加解密算法和隨機數生成安全執行。如何將可信安全技術應用于資源受限的IETF 6TiSCH 網絡中，從而更好地保障工業物聯網安全、可靠的運行也是一個重要的研究方向。

7 結束語

IETF 6TiSCH 工業物聯網融合了IPv6 新技術與低功耗無線通信技術，不僅解決了海量的資源受限物聯網節點無縫接入基于IP 的互聯網的問題，而且解決了復雜工業環境下無線通信的可靠性和低功耗的難題。IETF 6TiSCH 作為一套開放、完整的工業物聯網標準協議，可為未來工業互聯網發展提供核心的技術支撐。本文首先介紹了IETF 6TiSCH 工業物聯網發展歷程及現狀；其次根據物聯網協議的體系結構自頂向下依次分析了應用層CoAP 協議、網絡層IPv6 協議、鏈路層IEEE802.15.4e 協議以及物理層標準協議；然后深入分析了該工業物聯網中三個關鍵技術，分別包括高精度時間同步技術、資源調度算法與安全技術；并對兩種典型的實現平臺進行了詳細的剖析；最后對當前面臨的挑戰與未來發展方向進行了探討?？傊Ｍㄟ^本文系統梳理IETF 6TiSCH工業物聯網的標準、關鍵技術與平臺，可以為開展該領域的研究提供借鑒與啟示。