cisen
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3 years ago 【物联网】6LoWPAN技术 -https://blog.csdn.net/Linh47/article/details/77073038
一、6LoWPAN简介
6LoWPAN是IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network的简写，即基于IPv6的低速无线个域网。 IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6 over LR_WPAN (6LoWPAN)工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网。该工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。 6LoWPAN技术是一种在IEEE 802.15.4标准基础上传输IPv6数据包的网络体系，可用于构建无线传感器网络。
二、6LoWPAN协议栈参考模型
6LoWPAN协议栈参考模型与TCP/IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN底层使用的IEEE 802.15.4标准，而且因低速无线个域网的特性，在6LoWPAN的传输层没有使用TCP协议。
三、IEEE 802.15.4简介
IEEE 802.15.4工作组2000年12月成立。
IEEE 802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（低于250kbit/s）、工作在2.4GHz的无线技术（欧洲868MHz，美国915MHz），用于个域网和对等网状网络。支持传感器、远端控制和家用自动化等，不适合传输语音，通常连接距离小于100m。
802.15.4不仅是ZigBee应用层和网络层协议的基础，也为无线HART(Highway Addressable Remote Transducer)、ISA100、WIA-PA等工业无线技术提供了物理层和MAC层协议。同时802.15.4还是传感器网络使用的主要通信协议规范。
IEEE802.15.4定义的是PHY和MAC层，其体系结构如图所示，该标准定义了低速无线个域网络(LoWPAN)的物理层和MAC层协议。 物理层包括射频模块和物理层控制机制。 MAC子层提供物理信道的访问控制方式及帧的封装。在MAC子层上面提供与上层的接口，可以直接与网络层连接，或者通过中间子层SSCS和LLC实现连接。
四、IEEE 802.15.4主要特征
1、工作频段和数据速率
2.4GHz、868M、915M 三个频段对应250kb/s、20kb/s和40kb/s速率，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，能需要250 kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kbit/s这样的速率就能满足要求。
2、支持简单器件
在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。
3、信标方式和超帧结构
IEEE 802.15.4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义。
4、数据传输
在802.15.4中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下3种方式：直接数据传输、间接数据传输和有保证时隙(GTS)数据传输。 5、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。
6、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。
7、短距离
节点信号覆盖的范围有限，一般为10-100m。
五、6LoWPAN技术概述
6LowPAN技术底层采用IEEE802.15.4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于6LowPAN底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝连接，6LowPAN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。
6LoWPAN技术具有普及性、适应性、更多地址空间、支持无状态自动地址配置、易接入、易开发等方面的优势。
普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。 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。 更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大的亮点是庞大的地址空间，这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。 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用户界面，节点必须具备自动配置功能。 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。 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的特性需进行适当的精简和取舍，简化协议开发的过程。
尽管6LoWPAN技术存在许多优势，但仍然需要解决许多问题，如IP连接、网络拓扑、报文长度限制、组播限制以及安全特性，以实现LR-WPAN网络与IPv6网络的无缝连接。
六、LoWPAN关键技术
为了更好地实现IPv6网络层与IEEE 802.15.4 MAC层之间的连接，所以在他们之间加入适配层以实现屏蔽底层硬件对IPv6网络层的限制，其向上提供IPv6对IEEE 802.15.4媒介访问支持，向下则控制LoWPAN网络构建、拓扑及MAC层路由。
6LoWPAN的基本功能，如链路层的分片和重组、头部压缩、组播支持、网络拓扑构建和地址分配等均在适配层实现。
由于最大MTU、组播及MAC层路由等原因，IPv6不能直接运行在IEEE 802.15.4 MAC层之上，适配层将起到中间层的作用，同时提供对上下两层的支持。
链路层的分片和重组：
IPv6规定数据链路层最小MTU为1280字节，对于不支持该MTU的链路层，协议要求必须提供对IPv6透明的链路层的分片和重组。因此，适配层需要通过对 IP报文进行分片和重组来传输超过IEEE 802.15.4MAC层最大帧长（127字节）的报文。
组播支持：
组播在IPv6中有非常重要的作用，IPv6特别是邻居发现协议的很多功能都依赖于IP层组播。此外，WSN的一些应用也需要MAC层广播的功能。IEEE 802.15.4 MAC层不支持组播，但提供有限的广播功能，适配层利用可控广播洪泛的方式来在整个WSN中传播IP组播报文。
头部压缩：
在不使用安全功能的前提下，IEEE 802.15.4 MAC层的最大payload为102字节，而IPv6报文头部为40字节，再除去适配层和传输层(如UDP)头部，将只有50字节左右的应用数据空间。为了满足IPv6在IEEE 802.15.4 传输的MTU，一方面可以通过分片和重组来传输大于102字节的IPv6报文，另一方面也需要对IPv6报文进行压缩来提高传输效率和节省节点能量。为了实现压缩，需要在适配层头部后增加一个头部压缩编码字段，该字段将指出IPv6头部哪些可压缩字段将被压缩，除了对IPv6头部以外，还可以对上层协议(UDP、TCP及ICMPv6)头部进行进一步压缩。
网络拓扑构建和地址分配：
IEEE 802.15.4标准对物理层和MAC层做了详尽地描述，其中MAC层提供了功能丰富的各种原语，包括信道扫描、网络维护等。但MAC层并不负责调用这些原语来形成网络拓扑并对拓扑进行维护，因此调用原语进行拓扑维护的工作将由适配层来完成。另外，6LowPAN中每个节点都是使用EUI-64地址标识符，但是一般的LoWPAN网络节点能力非常有限，而且通常会有大量的部署节点，若采用64-bits地址将占用大量的存储空间并增加报文长度，因此，更适合的方案是在PAN内部采用16-bits短地址来标识一个节点，这就需要在适配层来实现动态的16-bits短地址分配机制。
MAC层路由：
现网络拓扑构建和地址分配相同，IEEE 802.15.4标准并没有定义MAC层的多跳路由。适配层将在地址分配方案的基础上提供两种基本的路由机制——树状路由和网状路由。
总结