任 彬 ，何 遙 ，許亞河，徐彬彬，麻偵園

（溫州大學(xué) 物 理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫 州 3 25035）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）是由眾多在空間上分布的自動(dòng)裝置構(gòu)成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、微傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集和感知各種環(huán)境下或不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理。WSN在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、醫(yī)療護(hù)理、軍事應(yīng)用和智能家居等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一[1]。美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列在其中?？梢灶A(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來極大的變革。

而作為下一代的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IPv6的功能和特性可以滿足WSN的應(yīng)用需求，因此將WSN與IPv6結(jié)合的發(fā)展方向具有重要意義。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置在人類不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境中，因此節(jié)約能源將作為節(jié)點(diǎn)的第一要素。如何通過壓縮協(xié)議棧減少處理代碼量來降低節(jié)點(diǎn)的能耗延長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)壽命是研究的熱點(diǎn)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點(diǎn)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低、具有無線通信、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。除此之外可能還會(huì)有定位系統(tǒng)等。通過情況下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有某些傳感器節(jié)點(diǎn)配有GPS系統(tǒng)，其他節(jié)點(diǎn)通過局部定位算法得到它們與配有GPS的節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置，這樣所有節(jié)點(diǎn)都能知道各自的具體位置了[2-4]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)被測(cè)區(qū)域中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的所有有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點(diǎn)的接力傳送的方式傳回基站。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊應(yīng)用使其擁有不同于有線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless sensor network architecture

1)電源能量有限

由于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)大小限制了其電源的大小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電能是有限的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)域或者對(duì)人體有傷害的惡劣環(huán)境中，從而使電池乃至節(jié)點(diǎn)都是一次性的。因此這必須要降低網(wǎng)絡(luò)功耗來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命。

2)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，分部廣泛

為了獲取精確信息，需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，從而減少盲區(qū)。

3)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中。這就要求節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理。

4)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩馗淖儯?/p>

①環(huán)境因素或電能耗盡導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效。

②環(huán)境條件造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通。

③傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性。

④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)性。

5)可靠性

由于WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)吹，甚至動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)撒播等。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

6)以數(shù)據(jù)為中心

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，由于需要部署大量的節(jié)點(diǎn)相應(yīng)就需要大量的IP地址，同時(shí)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)致使其必須使用一種能適應(yīng)其特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來支撐。而IPv6具有靈活簡(jiǎn)化的IP報(bào)文頭部格式、EUI-64地址自動(dòng)配置的功能，同時(shí)還解決了IPv4中解決不好的問題比如QoS、安全性、移動(dòng)性、即插即用等問題，這些特性使得IPv6可以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署需求，IPv6將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最好地址協(xié)議載體。

2 IPv6簡(jiǎn)介

2.1 IPv6地址

IPv6是Internet Protocol Version 6的縮寫，是IP協(xié)議的第6版，用于代替IPv4。IPv6解決了IPv4中最根本問題——地址不夠。IPv6地址長(zhǎng)度為128bits，分成八個(gè)段，每個(gè)段16bits。理論上有2128個(gè)地址，這樣巨大的地址空間將徹底解決IPv4地址耗盡的問題。

由于IPv6使用超長(zhǎng)的128位地址，為此IPv6新引入了冒號(hào)分十六進(jìn)制的網(wǎng)絡(luò)地址表示方法，如：3ffe:1944:0100:000a:0000:00bc:2500:0d0b。

除了地址空間的擴(kuò)大，IPv6對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址的分類進(jìn)行了改進(jìn)。新的IPv6地址分類和IPv4有很大程度上的不同，特別是增加了一種新的地址類型Anycast地址。

IPv6地址分為以下3種類型：

·Unicast地址；·Multicast地址；·Anycast地址

IPV6單播地址格式如圖2,由3個(gè)部分組成：全球路由前綴、子網(wǎng)ID、接口ID。

圖2 IPv6通用的單播地址格式Fig.2 IPv6 common unicast address format

2.2 IPv6報(bào)文

IPv6的基本報(bào)文格式比IPv4簡(jiǎn)單的多，原來在IPv4中的10個(gè)固定長(zhǎng)度字段和2個(gè)地址空間被減少到IPv6中的6個(gè)字段和2個(gè)地址空間，其基本報(bào)文格式[5]如圖3所示。

圖3 IPv6包頭Fig.3 IPv6 header

與IPv4報(bào)頭相比，IPv6報(bào)頭去掉了 Identification、Flags、Fragment Offset等字段，將分片的功能移到了擴(kuò)展報(bào)頭中去實(shí)現(xiàn)，同時(shí)去掉了包頭長(zhǎng)度字段以及校驗(yàn)和和選項(xiàng)。經(jīng)過這些改動(dòng)，IPv6基本報(bào)頭從IPv4的20個(gè)字節(jié)增加到40個(gè)字節(jié)，但I(xiàn)Pv6地址長(zhǎng)度是IPv4的4倍，需要處理的字段從14個(gè)變?yōu)榱?個(gè)從而大大減少了路由器上軟硬件處理的內(nèi)容。

3 剪裁設(shè)計(jì)思想

針對(duì)WSN應(yīng)用部署的特點(diǎn)，我們從以下幾個(gè)方面對(duì)IPv6協(xié)議進(jìn)行裁剪，實(shí)現(xiàn)IPv6的輕量化使之適應(yīng)WSN的部署特點(diǎn)。

3.1 IPv6地址的裁剪

IPv6地址配置有3種方法：無狀態(tài)自動(dòng)配置、有狀態(tài)自動(dòng)配置、手動(dòng)配置[4]。在無狀態(tài)自動(dòng)配置地址中，IPv6路由器之間通過NDP協(xié)議中的RA和RS報(bào)文的交互，由鄰居節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)IPV6前綴，節(jié)點(diǎn)根據(jù)前綴信息通過EUI-64來生成的接口ID從而生成IPV6地址。

EUI-64的過程如圖4所示：首先將MAC地址對(duì)半分開，插入FFFE，再從左到右將第七位置反，得到EUI-64地址。

圖4 EUI-64轉(zhuǎn)換過程Fig.4 The conversion process of EUI-64

在有狀態(tài)自動(dòng)配置中，路由器通過DHCPv6協(xié)議從DHCPv6服務(wù)器上獲取IPv6地址和其他參數(shù)，但是這并不適用于WSN環(huán)境。手動(dòng)配置則是由人工進(jìn)行配置。由于WSN一般部署在環(huán)境極度困難或是人幾乎無法到達(dá)的區(qū)域，因此我們采用無狀態(tài)自動(dòng)配置。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，一般都會(huì)使用相同的地址前綴，128bit的地址真正起作用的是后面64bit的接口ID。因此，可以通過壓縮IPv6地址前綴保留后64bit的接口ID來減少IPv6地址長(zhǎng)度。在通信時(shí)采用64bit的接口ID作為源IP地址和目的IP地址。節(jié)點(diǎn)通信示意圖如圖5所示。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壓縮地址通信Fig.5 The communication of the compressed address of WSN

3.2 重復(fù)地址檢測(cè)（DAD）刪減

在IPv4中，當(dāng)對(duì)接口配置了一個(gè)IP地址并激活后，該接口就會(huì)發(fā)送DAD報(bào)文來檢測(cè)地址唯一性。如果收到應(yīng)答，則說明該接口配置的地址已經(jīng)被使用，以此來保證IP地址的唯一性。在IPv6地址中，由于MAC地址是全球唯一的，因此由MAC地址經(jīng)過EUI-64轉(zhuǎn)換而得到的接口ID也是全球唯一，那么IPv6地址也將是全球唯一。既然如此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就沒有必要向外發(fā)送DAD報(bào)文來進(jìn)行重復(fù)地址檢測(cè)。因此可以將DAD的代碼剪裁。

3.3 ICMPv6的處理

ICMPv6是IP協(xié)議的一個(gè)重要組成部分，通過IP包傳送的ICMP信息主要涉及網(wǎng)絡(luò)操作或錯(cuò)誤操作的不可達(dá)信息。

ICMPv6報(bào)文分為兩類：錯(cuò)誤報(bào)文和信息報(bào)文。

錯(cuò)誤報(bào)文用來報(bào)告IPv6報(bào)文傳輸處理過程中遇到的錯(cuò)誤，信息報(bào)文用來完成如鄰居發(fā)現(xiàn)等其他網(wǎng)絡(luò)層功能。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的惡劣以及節(jié)點(diǎn)自身的硬件因素導(dǎo)致故障出現(xiàn)頻繁。如果對(duì)于每次出現(xiàn)差錯(cuò)而產(chǎn)生ICMPv6錯(cuò)誤類信息報(bào)文，則對(duì)于能源是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因此從節(jié)能的角度上，取消ICMPv6錯(cuò)誤信息報(bào)文同時(shí)剪裁相應(yīng)的處理環(huán)節(jié)，既簡(jiǎn)化了報(bào)文的處理減少了能耗同時(shí)也節(jié)省了存貯空間。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的可靠性保證則交給上層去實(shí)現(xiàn)。

幾類錯(cuò)誤報(bào)文裁剪分析如下：

1)目的地址不可達(dá)。沒有路由不可達(dá)、對(duì)目的地址進(jìn)行了過濾、上層端口不可達(dá)等。在WSN環(huán)境中，基本都允許任何節(jié)點(diǎn)來訪問，不存在路由不可達(dá)，并且可以通過應(yīng)用來保證上層端口的可達(dá)性，因此對(duì)上述情況不需要做相關(guān)處理。

2)報(bào)文太大。在IPv4中可以通過D/M/FLAG字段來對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片從而通過MTU較小的接口。但是IPv6中取消了這些。通過PMTU來對(duì)路徑的MTU進(jìn)行識(shí)別，從而確定MTU。所以如果因報(bào)文太大超過鏈路MTU而不能轉(zhuǎn)發(fā)的相應(yīng)，路由器必須發(fā)送這類種類的錯(cuò)誤消息。由于節(jié)點(diǎn)之間通信報(bào)文都很小，因此不需要做這樣的處理。

3)超時(shí)。TTL過小，或者分片后路由器無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重組，從而向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送此類報(bào)文。節(jié)點(diǎn)沒有IP層上的路由器，因此不要處理。并且節(jié)點(diǎn)之間內(nèi)部通信時(shí)報(bào)文長(zhǎng)度都很小，不存在IP層上的分片和重組，因此也不需要作處理。

4)參數(shù)錯(cuò)誤。如果節(jié)點(diǎn)處理一個(gè)報(bào)文時(shí)，在頭部發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，不能完成報(bào)文的處理，必須丟棄該報(bào)文，并且發(fā)送一個(gè)這種類型的錯(cuò)誤報(bào)文。這種錯(cuò)誤發(fā)生概率極小，為了精簡(jiǎn)協(xié)議棧，不做處理，在發(fā)生上述錯(cuò)誤時(shí)，直接丟棄該報(bào)文。

ICMPv6報(bào)文格式如圖6所示。

圖6 ICMPv6報(bào)文格式Fig.6 ICMPv6 header format

ICMPv6路由重定向是IPv6協(xié)議的一個(gè)重要特性，如果傳輸路徑不是最優(yōu)的，路由器將對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重定向，把它們傳送給路徑最優(yōu)的路由器；并對(duì)源路由器發(fā)送ICMP重定向報(bào)文。在WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，可能出現(xiàn)類似Gateway功能的節(jié)點(diǎn)（簇節(jié)點(diǎn)），并且該節(jié)點(diǎn)是可以通過選舉產(chǎn)生的，在這種情況下網(wǎng)關(guān)只是暫時(shí)的確定。由于節(jié)點(diǎn)的能耗或者其故障導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法行使簇節(jié)點(diǎn)的功能從而使整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須通過選舉來重新產(chǎn)生簇節(jié)點(diǎn)，在這種情況下需要重定向報(bào)文，因此無法對(duì)ICMPv6進(jìn)行剪裁的。如果WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)有固定的基站或者簇節(jié)點(diǎn)作為Gateway，此時(shí)網(wǎng)關(guān)固定，出于對(duì)能耗的考慮可以不需要重定向報(bào)文，那么可將重定向報(bào)文剪裁。

4 仿真結(jié)果

在文獻(xiàn)[6]中采用OPNET對(duì)地址壓縮方案進(jìn)行了仿真：100個(gè)相同的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)隨機(jī)分布在1 000 m2的區(qū)域內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)以自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)位于網(wǎng)絡(luò)邊界。用這個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)定期向外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。假設(shè)能量在每個(gè)數(shù)據(jù)位被消耗，除了分組頭，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含100bit的有效載荷?？偟哪芰肯谋硎舅泄?jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包以及在分組中繼過程中的能量消耗，所有節(jié)點(diǎn)都不移動(dòng)，可根據(jù)目的地位置自動(dòng)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膫鬏敼β省?/p>

在仿真中，節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)編址的方式，形成8個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)中取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由器。每個(gè)路由器選擇最佳路線，以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，分別使用壓縮后的地址和完成的IPv6地址進(jìn)行傳輸，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作了8個(gè)小時(shí)后，對(duì)比其能量消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前者的能量消耗比后者減少約30%。

5 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會(huì)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。本文針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)，從IPv6地址、IPv6報(bào)文、ICMPv6協(xié)議等方面對(duì)輕量化IPv6協(xié)議棧在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)了提出了理論分析，并給出了相應(yīng)的剪裁設(shè)計(jì)方案，但還需經(jīng)過仿真模擬。

[1]王勍，李佳節(jié).無線傳感器網(wǎng)路概述 [J].技術(shù)與市場(chǎng)，2008，12：12-13.WANG qing,LI Jia-jie.An overview of wireless sensor networks[J].Technology&Market,2008,12:12-13.

[2]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3]高勝友,吳碩.采用GPS同步技術(shù)和電磁感應(yīng)原理的電纜識(shí)別方法[J].陜西電力，2011（9）：27-29.GAO Sheng-you,WU Suo.Cable identification based on GPS simultaneous techniques and electromagnetic induction principle[J].Shaanxi Electric Power，2011（9）：27-29.

[4]文躍秀,韓寶民,邱燦,等.一種GPS定位技術(shù)在繪制10 kV電氣線路地理接線圖中的應(yīng)用 [J].陜西電力，2012（5）：22-25，38.WEN Yue-xiu,HAN Bao-min,QIU Can，et al.Application of GPS technology in 10kV electrical lines geographical wiring diagram[J].Shaanxi Electric Power，2012（5）：22-25，38.

[5]Hinden R,Deering S.RFC 4291:IP version 6 addressing architecture[S].2006.

[6]鄒琳，周蘭.基于IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)編址方案[J].電信快報(bào)，2012(9):3-5.ZOU Lin,ZHOU Lan.IPv6-based wireless sensor network addressing scheme[J].Telecommunications Information,2012(9):3-5.