首个融入IP协议的无线通信标准——6LoWPAN

 近年来集成了网络技术、嵌入式技术和传感器技术的低速率无线个域网(LR-WPAN)技术成为了研究热点。LR-WPAN是为短距离、低速率、低功耗无线通信而设计的网络，可广泛用于智能家电和工业控制等领域。IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6 overLR-WPAN(简称6LowPan)工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6over IEEE 802.15.4，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网。其出现推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表，其应用前景非常广阔，以其为基础的研究方兴未艾。

但是，IEEE802 15.4只规定了物理层 (PHY)和媒体访问控制(MAC)层标准，没有涉及到网络层以上规范，而IEEE 802 15.4设备密度很大，迫切需要实现网络化。同时为了满足不同设备制造商的设备间的互联和互操作性，需要制定统一的网络层标准。IPv6以其规模空前的地址空间及开放性，对LR-WPAN产生7极大的吸引力。

1、IEEE 882.15.4技术概述

IEEE 802.15.4定义的是PHY和MAC层。

IEEE802.15.4标准的主要特征：①低速率，对于2.4GHz、828MHz、915MHz 3个频段分别对应250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s3种速率;②低功耗，在待机模式下可使用2节5号干电池驱动6个月以上;③低成本，一般采用硬件资源非常有限的底端嵌入式设备或更小的特殊设备;④短距离，节点信号覆盖范围有限，一般为10-100m;⑤低复杂度，比现有的标准低;⑥短帧长，最大帧长度为127字节;⑦多拓扑，网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑2种基本拓扑结构及其混合组网。

2、6LowPan技术概述

2.1 6LowPan技术简介

6LowPan工作组的研究重点为适配层、路由、报头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术，目前已提出了适配层技术草案.其他技术还在探讨中。

6LowPan技术底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LowPan底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6Low-Pan工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。

2.2 6LowPan技术的优势

(1)普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。

(2)适用性：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。

(3)更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。

(4)支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时。可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。

(5)易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。

(6)易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。

由此看见，IPv6技术在LR-WPAN网络上的应用具有广阔发展的空间，而将LR-WPAN接入互联网将大大扩展其应用，使得大规模的传感控制网络的实现成为可能。

2.3 6LowPan关键技术分析

对于IPv6和IEEE805.15.4结合的关键技术，6LowPan工作组进行了积极的研究与讨论，目前在IEEE 802.15.4上实现传输IPv6数据包的关键技术如下：

(1)IPv6和IEEE 802.15.4的协调。IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节.MAC头部最大长度为25字节，剩余的MAC载荷最大长度为102 字节。如果使用安全模式，不同的安全算法占用不同的字节数，比如AES-CCM-128需要21字节，AES-CCM-64需要13字节，而AES- CCM-32需要8字节。这样留给MAC载荷最少只有81个字节。而在IPv6中。MAC载荷最大为1280字节。IEEE 802.15.4帧不能封装完整的IPv6数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能。

(2)地址配置和地址管理。IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。

(3)网络管理。网络管理技术对LR-WPAN网络很关键。由于网络规模大，而一些设备的分布地点又是人员所不能到达的，因此LR-WPAN网络应该具有自愈能力，要求LR-WPAN的网络管理技术能够在很低的开销下管理高度密集分布的设备。由于在IEEE802.15.4上转发IPv6数据提倡尽量使用已有的协议，而简单网络管理协议(SNMP)又为lP网络提供了一套很好的网络管理框架和实现方法，因此，6LowPan倾向于在LR-WPAN上使用 SNMPv3进行网络管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。仍需要进一步调研和改进。例如：限制数据类型、简化基本的编码规则等。

(4)安全问题。由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为6LowPan研究的关键问题之一。

作为当今信息领域新的研究热点，6Low-Pan还有非常多的关键技术有待发现和研究，比如：服务发现技术、设备发现技术、应用编程接口技术、数据融合技术等。