基于IPv6的无线传感器网络关键技术研究

摘要：基于IPv6技术的无线传感器网络是一门新兴的网络技术，人们对它的研究尚处于起步阶段。在此主要论述IPv6技术在无线传感器网组网应用，对使用无线与有线相结合的通信方法，通信协议和算法的研究，使得视频监控系统信号，通信系统信号以及检测系统信号在同一个通信平台上互不干涉的平稳的传输信息。就IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通方式，关键技术和算法等方面进行概述。
关键词：无线传感网络；IPv6技术；通用接口；关键技术

    随着互联网在人们生活中的广泛应用，Internet已经成为人们生活中不可缺少的一部分。现在的无线网络已经集成了网络技术、嵌入式技术、微机电系统(MEMS)及传感器技术并将Internet从虚拟世界延伸到物理世界，从而将信息世界与人们生活的真实世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。
    无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景。IPv6传感器网络是一种新兴的网络形态，它把IPv6技术融入无线传感器网络，采用分层结构构建开发式的网络体系，不仅能解决无线传感器网络间、无线传感器网络与Internet间的互连互通问题，同时解决了无线传感器网络固有的缺点，如需要数量巨大的地址资源、需要实现有效地址管理机制、缺乏应有的安全机制等问题。文章就IPv6技术在无线传感网络组网的应用，概述了相关的关键技术及重点解决问题。

1 IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通方式
    IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通主要有两种：直接接入方式、网关接入方式。
    (1)直接接入方式
    采用移动终端直接与无线传感器网络节点通信的方式进行互联，简化了网络接入的模型，不需要特殊的中间节点或者网关进行转发，直接接入现有网络，成为网络终端，实现与现有网络的无缝融合。IPv6无线传感器网络与现有网络互联互通的直接接入方式如图1所示。

    (2)网关接入方式
    IPv6无线传感器网络协议栈，将采集的数据通过无线传感器网络路由协议汇聚到网关，由网关对数据的转发处理，接入各种承载网络将信息发送到服务器，网关只需配置相应的接入模块即可。服务器端对监测信息进行处理和分析，并存储到数据库中。用户终端通过现有网络的协议访问服务器，获取IPv6无线传感器网络设备的信息，实现对设备的访问、控制以及有效的管理网关接入方式如图2所示。
    IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能：
    IPv6基本描述协议、ND(邻居发现)协议、ICMPv6(因特网控制报文)协议和IPv6地址的自动配置协议等。IPv6基本描述协议：IPv6数据包的发送、接收、处理等基本功能。ND(邻居发现)协议：邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。CMPv6(因特网控制报文)协议：主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。IPv6地址自动配置协议：根据IPv6地址格式的要求，主要实现IPv6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置。

2 路由算法
    通常的路由算法是：首先在目的地址缓存中查找与发送报文目的地址匹配的记录，找不到再在前缀列表中查找与之匹配的记录，还找不到再看是否有默认路由；其中之一匹配成功，得到下一跳地址，如果都不成功，目的地址设为下一跳地址。再查找邻居表，如果有与下一跳地址匹配的记录，用该记录中的MAC地址发送报文；否则，调用地址解析程序解析下一跳IP地址对应的MAC地址，解析成功，更新邻居表，发送报文，解析失败，返回错误。在无线传感器网络中，内部节点只有一个接口，为简化下一跳的选择过程，做如下处理：前缀表中按照前缀长度递减排序，并加上链路本地前缀和默认路由，默认路由前缀长度设置为0，是表中的最后一条记录。这样在选择下一跳时，可顺序查找前缀表，第一个找到的就是最长前缀匹配，即使在真正的前缀中找不到匹配的下一跳，最后一条记录是默认路由，肯定能匹配成功。删去目的地址缓存及其匹配过程。目的地址缓存的目的是提高下一跳选择的效率，在内部节点上的前缀记录实际上只有三条记录：链路本地地址前缀对应的记录；全球弛址前缀对应的记录；默认路由。如果还使用目的地址缓存，不仅消耗内存空间和代码空间。而且实际的查询效率也得不到有效提高。
    IPv6的优点之一就是提供灵活的路由机制。由于分配IPv4网络ID所用的方式，要求位于Internet中枢上的路由器维护大型路由表。这些路由器必须知道所有的路由，以便转发可能定向到Internet上的任何节点的数据包。通过其聚合地址能力，IPv6支持灵活的寻址方式，大大减小了路由表的规模。在这一新的寻址结构中，中间路由器必须只跟踪其网络的本地部分，以便适当地转发消息。
    邻居发现提供以下一些功能：
    (1)路由器发现。这允许主机标识本地路由器。
    (2)地址解析。这允许节点为相应的下一跃点地址解析链路层地址(替代地址解析协议)。地址自动配置。这允许主机自动配置站点一本地地址和全局地址。邻居发现将Internet控制消息协议用于IPv6(ICMPv6)消息，这些消息包括：
    (3)路由器广告。在伪定期的基础上或响应路由器请求由路由器发送。IPv6路由器使用路由器广告来公布其可用性、地址前缀和其他参数。
    (4)路由器请求。由主机发送，用于请求链路上的路由器立即发送路由器广告。
    (5)邻居请求。由节点发送，以用于地址解析、重复地址检测，或用于确认邻居是否仍可访问。
    (6)邻居广告。由节点发送，以响应邻居请求或通知邻居链路层地址中发生了更改。
    (7)重定向。由路由器发送，从而为某一发送节点指示指向特定目标的更好的下一跃点地址。

3 无线传感器网络和有线网络交互及稳定性
    本文提出通信网络采用有线网络和无线传感器网络相融合拓扑模型，如图3所示。用现有专用光纤，无线传感器网络具有网络自愈功能，且每个节点都是一个传感器，可采集相关信息数据，同时充当无线网络路由器传输数据。无线传感器网络通过接入节点(Access Point，AP)接入有线网络，将数据通过专用光纤传输至中心监控系统。AP节点是无线传感器网络同有线网络交互的网关节点，同时运行无线网络通信和有线网络通信双协议。

    在IPv6协议族中，有线网络数据传输使用硬件地址(MAC)进行识别设备，其中地址解析协议(ARP)完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证无线传感器网关在有线网络中的通信，必须要实现ARP协议功能。无线传感网络中节点都还拥有自己唯一的MAC地址，参考TCP／IP下的实现机制，实现Zigbee协议中的适配层和ARP，实现IP地址到Zigbee无线传感器节点地址的映射。协议转化如上图所示，完成数据在Zigbee无线传感器网络和TCP／IP有线网络之间的协议转换过程。

4 互联互通下行物理层／链路层
    开发互联互通下行物理层／链路层支持802．15．4等协议，其中802．15．4支持多频段，包括780 MHz和2．4 GHz。物理层是通过中继器或集线器在电缆之间复制比特流。如图4所示。

    数据链路层是通过网桥或交换机在网段之间根据数据帧中的信息(MAC地址)转发数据帧。如图5所示。网关用来连接不同体系结构的网络。如图6所示。

    IEEE 802．1 5．4是2004年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。  802．15．4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域，后期802.15.4的市场将转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具。802．15．4网络另一个充满魅力的应用领域是精作农业。针对巨大的中国市场和2008年国际奥林匹克运动会，802．15．4技术产品将在中国的环境监测和保护领域发挥重要的作用。利用该技术可以对污染源，特别是各工厂废水，废气的排放口进行实时监测控制，在每个排放口安装相应感应器，完成样本的采集、分析和最终的流量测定。就目前的环境来说，污染源的数量大的惊人，仅北京地区的排污口就有几万个。基于IPv6的IEEE802．15．4的无线传感器网络是目前研究的一个热点。其中，设计适合传感器节点的嵌入式IPv6协议栈是一个关键。
    802．15．4工作在工业科学医疗(ISM)频段，它定义了两个物理层，即2．4 GHz频段和868 MHz／915 MHz频段物理层。免许可证的2．4 GHz ISM频段全世界都有，而868 MHz和915 MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。在802．15．4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：2．4 GHz波段为全球统一、无需申请的ISM频段，有助于15．4设备的推广和生产成本的降低。2．4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 Kb／s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。在868 MHz频段有1个20 Kb／s(或20 Ksymbol／s)的信道。

5 结语
    IPv6传感器网络是IPv6技术与无线传感器网络的融合，具有两者各自部分特征，同时也具有其独特性。这种独特性，决定了IPv6传感器网络不适合直接采用IPv6网络或无线传感器网络的传统体系结构，主要体现在：传统的传感器网络体系结构不支持IPv6协议，无法实现与下一代互联网的直接融合，不支持端到端通信，可扩展性不高。IPv6作为下一代互联网的核心协议，充分考虑了网络中的各种问题，已经形成一套功能强大、鲁棒性好的协议体系，无法应用在存储资源和处理资源受限的传感器网络中。因此，必须在充分考虑到此网络的特点和特殊性的前提下，重新构建基于IPv6的传感器网络体系结构。基于IPv6 over IEEE802．15．4的无线传感器网络是一门新兴的网络技术，应用领域广泛，如将它应用到家电的控制方面，把手机、PDA加入。同时因为IPV6替代IPV4以后，可以实现三网合一。同时可以把网格计算、高清晰电视、远程医疗等整合在一起，使网络真正成为信息高速公路。这对改变人们的生活和工作方式，具有十分重要的社会效益，将其应用到各个信息行业并进行推广后，将有巨大的市场潜力以及产生巨大的经济效益。