1、内容提要更全面的互联互通是物联网的特点之一。无无线低速网络协线低速网络协议议能够适应物联网中智能程度较低设备的特征。本章将介绍典型的无线低速网络协议及无线传感网的组网技术。内容回顾第7章介绍了典型的无线宽带技术无线信道的新特点以及宽带网络的定义Wi-Fi/802.11的架构，物理层，介质访问控制层的特点以及数据链路层数据帧结构。WiMAX/802.16的架构，物理层，介质访问控制层的特点和协议。本章介绍典型的无线低速网络传输协议（蓝牙/红外/802.15.4&ZigBee），并较为详细地讨论了无线传感网组网实现。8.1 低速网络协议需求低速网络协议需求8.2 无线低速网络协议8.3 无线传感网
2、协议实现8.4 IPv6网际互联为什么除了高速网络协议，物联网还需要低速网络协议？本章内容为什么需要低速网络协议？物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。适应物联网中那些能力较低的节点低速率低通信半径低计算能力，和低能量的要求需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。8.1 低速网络协议需求8.2 无线无线低速网络协议低速网络协议8.3 无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联典型的无线低速网络协议有哪些？各有什么特点？本章内容8.2 无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee典型的无线低速网络协议：无线个域网(
3、WPAN)WPAN(Wireless Personal Area Network)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。例：通过短距离的无线电，将一台计算机的各个部件连接起来2022-8-58v常用技术：蓝牙 ZigBee(IEEE 802.15.4)红外数据协会(IrDA)标准 UWB(超宽带无线技术)HomeRF RFID(射频识别)vIEEE 802.15工作组针对无线个域网，以上述技术为基础，开展无线个域网的标准化工作蓝牙（Bluetooth）典型无线低速网络
4、蓝牙红外802.15.4/ZigBee蓝牙技术蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。采用的是调频技术（frequency-hopping spread spectrum），频段范围是2.402GHz-2.480GHz。（使用（使用ISM频段）频段）Industrial Scientific Medical 通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。蓝牙技术 1994年:爱立信爱立信决定开发一种低功耗、低成本低功耗、低成本的无线接口。该公司的工程师J.Haartsen博士
5、和S.Mattisson博士发明了蓝牙技术(IEEE 802.15.1)2022-8-511蓝牙技术的发展历程 1998.5:爱立信联合IBM、Intel、Nokia、Toshiba一起成立蓝牙特殊利益集团SIG。3Com、朗讯、微软、摩托罗拉等也很快加盟SIG 1999.7:SIG公布了蓝牙标准1.0版 1999.12:公布1.0b版 2001.4:公布1.1版 2003.11:公布1.2版 2004.8:公布了2.0版 2009.4:公布了3.0版(蓝牙核心规范3.0版 高速)2022-8-512蓝牙技术优点 蓝牙是一种低带宽、短距离、低功耗(对人体伤害小)的数据传输技术 工作在2.4GH
6、z频段，通信距离在10米之内；数据速率为1Mb/s 现在几乎一切东西都支持蓝牙，从键盘到耳机 不需任何电缆、不需更改配置、不需进行故障诊断即可建立连接 具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等 蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广2022-8-513n 电缆替代 n Ad hoc个人网（例如，在会议室范围内连接多个用户）n 蓝牙网关：使蓝牙设备能够接入数据和语音骨干网络蓝牙系统中的皮可网和扩散网 蓝牙自组织网络称为微微网微微网(piconet；皮克网；皮克网)，一个微微网最多有8台设备组成2022-8-515扩散网(
7、散布式网络)MMSSPSSSSSP皮可网 2皮可网 1M 主设备S 从设备P 搁置的设备主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列在一个微微网内，所有设备使用同一跳频序列主/从关系 多个微微网之间互联形成分散网分散网(scatternet)一个微微网的设备也可以作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中起主设备或者从设备的角色2022-8-516MMMMMMMM/SM蓝牙和Wi-Fi区别典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备，能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。蓝牙蓝牙主
8、要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。红外（Infrared)典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee红外通信技术红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。特点特点红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差802.15.4/ZigBee典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/
9、ZigBee802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范802.15.4 物理层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee频段：频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道；902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30；2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个频道。传输技术：传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。80
10、2.15.4介质访问控制层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee介质访问控制层（介质访问控制层（MAC）控制和协调节点使用物理层的信道802.15.4采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与802.11（Wi-Fi）类似。传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。CSMA/CA回顾典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeZigBee 网络层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层功能：网络层功能
11、：路由，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。ZigBee网络层网络层采用距离矢量路由协议（AODV）源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。距离矢量路由协议（AODV）典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeAODV Unicast Route Discovery InitiationRoute R
12、equest(RREQ)broadcast floodSourceDestinationAODV Unicast Route Discovery CompletionRoute Reply(RREP)propagationDestinationSourceZigBee 网络层以上典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层以及上网络层以及上提供了向终端用户的接口与互联网类似，在网络层以上：互联网模型中需要提供不同类型的传输服务（比如TCP协议和UDP协议）在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用（比如FTP，HTTP等等）。ZigBee与常用协议比较典型无线低速网络蓝牙
13、红外802.15.4/ZigBeeAd hoc网络的发展历程Ad hoc网络的前身是分组无线网(PRNET,Packet Radio Network)；源于军事通信的需要2022-8-529世界上最早的无线电计算机通信网，将夏威夷的教育设备连接在一起(单跳、不支持路由)美国DARPA(美国国防部的技术研究部门)启动了分组无线网项目，将数据分组交换技术引入到无线环境中，开发军用无线数据分组网络(多跳)SURAN(Survivable Radio Network,抗毁无线网络)研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议，主要解决PR
14、NET遗留的问题、网络的扩展性、安全、处理能力以及能量管理全球移动信息系统(GloMo)项目，在已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并持续至今，支持无线装置之间随时随地的以太网多媒体连接，解决移动Ad Hoc网络的M3问题(移动、多跳、多媒体)IETF成立MANET工作组，推动商用移动Ad Hoc 网络的开发与研究Ad hoc网络的应用 军事领域:战士利用临时建立的移动自组网络进行通信 也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群-航母战斗群 移动会议：借助无线自组织网络实现分布式会议 抢险救灾：快速建立临时网络
15、，进行及时的通信 偏远野外地区：无法依赖固定或预设网络设施进行通信时 商业应用：家庭无线网络、移动医疗监护系统 其他：实现地铁和隧道的无线覆盖 出租汽车之间的通信Ad hoc网络的特点 无中心无中心 对等式网络。结点可随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性 自组织自组织 网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络 多跳路由多跳路由 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的 动态拓扑动态拓扑
16、 网络结点可以随处移动，也可随时开机和关机，这些都使网络的拓扑结构随时发生变化2022-8-531网络发展需求 从从PC时代过渡到时代过渡到普适计算普适计算时代时代(Ubiquitous Age)提供所需要的连接和网络服务成为一种挑战提供所需要的连接和网络服务成为一种挑战 问题问题：移动问题 不需要基础设施支持的问题 动态自组织组网问题 必须能够快速展开的问题 研究人员提出了不需要基础设施支持的移动Ad Hoc解决方案 2022-8-532移动Ad hoc网络：MANET MANET(Mobile Ad hoc network)：特指节点具有移移动性动性的Ad hoc网络 N个笔记本电脑通过A
17、d hoc模式形成一个网络，如果笔记本不移动，网络的拓扑就不会改变，路由等也就是固定的 每个出租车上都配置一个无线网卡，全部出租车组成一个网络，则拓扑是不断变化的，路由等也变得复杂移动Ad Hoc网络的定义 移动移动Ad Hoc网络网络由无线移动节点组成，不需要依靠固定的通信网络基础设施、能够迅速展开使用的网络，所需人工干预最少，是分布式分布式的(没有任何中心实体)、自组织自组织、自愈自愈的网络 网络节点相互协作、通过无线链路进行通信、交换信息，实现信息和服务的共享 网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络，而不需要事先示警或通知，而且不会破坏网络中其他节点的通信 单跳Ad Hoc通信
18、 多跳多跳Ad Hoc通信通信单跳单跳/多跳网络多跳网络2022-8-535移动Ad hoc网络的MAC协议大致可分为3类：1.竞争协议(Contention Protocol)使用直接竞争来决定信道使用权，通过随机重传来解决碰撞问题在低负荷传输条件下运行良好：碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小2.分配协议(Allocation Protocol)采用某种传输时间安排算法将时隙映射为节点中等或者繁重传输负荷条件下运行良好：充分利用时隙3.竞争协议和分配协议的混合协议(Hybrid Protocol)移动移动Ad Hoc网络的网络的MAC层层2022-8-536Ad hoc网络的分群 为了
19、降低节点成本，提供灵活、可靠的通信并提高Ad Hoc网络的可扩展性，通常采用分布式控制方式控制网络，如常用的分级分级结构结构 网络被划分为群群，每个群由一个群首群首和多个群群成员成员组成，这些群首组成一个高一级的网络 在高一级网络中，可以再分群，再次形成更高一级的网络，以此类推 群首和群成员的身份可动态变化2022-8-5372022-8-538平面结构平面结构Ad Hoc 网络网络单频分级单频分级Ad Hoc 网络网络群成员/节点群首网关多频分级多频分级Ad Hoc 网络网络无线Mesh网络 无线无线Mesh网络网络(WMN，Wireless Mesh Network，又称，又称无线网状网、
20、无线网格网等无线网状网、无线网格网等)是一种应用性的网络技术，由移动Ad Hoc网络顺应无处不在的Internet 接入需求演变而来 基于基站的无线通信系统基于基站的无线通信系统是通过“最后一英里”的无线接入，无法适应业务需求的增长 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统大大缓解了用户业务与系统资源之间的矛盾。但只适用于人口稠密、有永久用户业务需求的地区 移动移动Ad Hoc网络技术网络技术一直与蜂窝移动通信技术平行发展；但并没有在民用通信领域得到很好的应用 无线局域网无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围，技术上无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖2022-8-539 WLAN中，每个客户端必须
21、通过一条与AP关联的无线链路来访问网络，用户要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的AP(单跳网络单跳网络)无线Mesh网络中 任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器 每个节点都可以发送和接收信号 每个节点都可以与一个或多个对等节点进行直接通信2022-8-540无线Mesh网络传统基站方案的无线通信系统 2022-8-541对于网关节点覆盖之外的区域，用户节点负责往来业务的中继和转发，从而实现大范围廉价和快速信号覆盖 WMN结构示意图结构示意图 这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而拥塞，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以
22、根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止(“无线版本的无线版本的Internet”)如果添加新的设备，只需简单的接上电源就可以；它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳路径 添加或移动设备时，网络自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获得最有效的传输路径2022-8-542无线Mesh网络WMN与移动Ad Hoc网络、WLAN和WBAN的关系 2022-8-543WBAN：无线宽带接入网(wireless broadband access network)，例如WMAN和WWAN移动Ad hoc网络WLANWBANWMN无线Mesh网络的结构无线无线Me
23、sh网络结构的分类网络结构的分类 平面网络结构平面网络结构 多级网络结构多级网络结构 混合网络结构混合网络结构2022-8-544WMN平面结构平面结构 WMN分级结构 2022-8-545 WMN混合结构 2022-8-546WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图 2022-8-547WMN接入因特网方案 2022-8-548Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)近年來由於人們對於汽車的需求與使用越來越高，交通事故也成了現今非常重視的議題。為了讓駕駛者避免車禍事故發生，提升駕駛者周圍環境的交通資訊是相當重要的。附近的路邊設施附近的路邊設施 附近的車輛與車輛之間附
24、近的車輛與車輛之間 隨著科技不斷的進步，加上無線網路的盛行，車用行動網路(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)也成為現今廣為研究與討論的議題。50 VANET主要目的是提供相鄰車子間的溝通以及車子與交通設備的通訊，駕駛者能在第一時間取得與傳遞交通相關的資訊。避免連續意外事故發生避免連續意外事故發生 VANET網所提供的服務 附近的加油站附近的加油站 停車位子的資訊停車位子的資訊51 VANET是一種Ad-hoc network 架構 不需要基地台不需要基地台 容易架設容易架設 成本低成本低52P2PAd-hoc 架構53 車與路邊設施 透過基地台透過基地台 選擇路徑選
25、擇路徑Roadside to Vehicle Communications54 車與車之間 沒有基地台沒有基地台 距離有限距離有限Inter Vehicle Communications55 前兩種綜合 距離短直接交換距離短直接交換 距離長透過距離長透過APAPHybrid Vehicular Communication8.1 低速网络协议需求8.2 无线低速网络协议8.3 无线传感网协议实现无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联无线传感网协议实现需要注意哪些问题？本章内容8.3 无线传感网组网：物理层设计链路特点链路特点动态性（Dynamic)非对称性（Asymmetric）：两个节点之
26、间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。空间关联性（Spatial Correlation）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。时间关联性（Temporal Correlation）物理层设计物理层设计应当支持802.15.14模块，如CC2420，同时满足：低能量消耗低通讯半径低通信带宽8.3 无线传感网组网：MAC层设计无线传感网节点特殊性：无线传感网节点特殊性：节点功能小计算不能太复杂节点能量少尽量减少不必要传输节点通信范围小需要多跳网络设计节点内存小不可能保存全部路由表节点工作环境复杂高适应性协议MAC层：层：沿用CSMA/CA8.3 无线传感网组网：MAC层设计无线收发模块占用
27、大部分电量消耗！MAC层设计：如何降低能量消耗？无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费能量。低功率侦听协议低功率侦听协议采样侦听链路层调度采样侦听采样侦听无线收发模块在没有数据的时候关闭定时采样获取信道的信息MAC层设计：采样侦听的问题假设采样周期为T，发送者在发送数据的时候如何保证接受者能够收到？保持发送数据的时间长度不少于T的话，接收者就能够采样到发送者发送的数据然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。MAC层设计：采样侦听的问题（续）仍然有问题：仍然有问题：发送者每次发送最常需要持续一个采样
28、周期的时间，还是会带来不必要的能量损耗。更好的方法：更好的方法：同步发送者和接收者达到更高效率调度8.3 无线传感网组网：网络层设计主要特点：主要特点：无线传感器网络中的链路是不可靠的无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行很复杂的计算，测量以及。链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用的路径选择指标，可实现无线传感网典型的链路测量方法。两类典型的网络层路由协议：数据收集协议CTP数据分发协议DripETX：路径选择指标ETX：（Expected Transmission Count），传输成功每个包需
29、要的总传输次数，一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。Link throughput 1/Link ETXETX计算假设链路有ACKs和重传P(TX success)=P(Data success)P(ACK success)Link ETX=1/P(TX success)=1/P(Data success)P(ACK success)实际计算ETXP(Data success)measured fwd delivery ratio rfwdP(ACK success)measured rev delivery ratio rrevLink ETX 1/(rfwd rrev
30、)路径ETX通过把传输代价最小化，ETX提高了带宽利用率，有效减少了传感网能量消耗。通过测量双向链路质量，ETX能有效避免非对称链路。数据收集协议：CTPCTP：（Collection Tree Protocol）是目前广泛使用的数据收集协议之一，可在TinyOS中实现。基本过程：基本过程：初始化阶段:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。CTP协议基本特点链路质量链路质量：综合多方面信息。主动交换控
31、制包估计+被动侦听数据包动态更新考虑网络层队列溢出信息以避免拥塞的节点控制包发送控制包发送：使用Trickle算法自适应控制发包频率，使得网络不变化，发送包数量很少；网络一旦变化，迅速更新整个网络。网络稳定时二进制增长发包间隔，以减少发送包的数量。发生环路等异常时缩短发包间隔至最小，使网络及时恢复到正常数据分发协议：Drip数据分发协议的作用是将数据包可靠传输到网络中的每个节点。无线传感网中广泛使用的是Drip协议。基本工作方式：基本工作方式：为每个数据项对应一个版本号，版本号越高表示数据越新。每个节点周期性广播数据项的版本信息当一个Drip节点发现邻节点版本信息更高时，则向邻节点发送请求包。
32、收到请求包的节点广播该数据项的数据包。8.1 低速网络协议需求8.2 无线低速网络协议8.3 无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联网际互联无线低速网络协议如何纳入IPv6框架？本章内容将IP协议引入无线通信网络一直被认为是不现实的(不是完全不可能)。迄今为止，无线网只采用专用协议，因为IP协议对内存和带宽内存和带宽要求较高，要降低它的运行环境要求以适应微控制器及低功率无线连接很困难。基于IEEE 802.15.4实现IPv6通信的IETF 6LoWPAN草案标准的发布有望改变这一局面。6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中，而其对AES-128加密的
33、内置支持为强健的认证和安全性打下了基础。8.4 IPv6网际互联IPv6IPv6已在高速互联网协议中得到广泛使用，正逐步移植到低速网络协议中。6LoWPAN6LoWPAN：统一框架下的互联协议，连接运行IPv6高速互联协议的网络和运行低速协议的其他网络。挑战：挑战：不同传输能力挑战不同设备标记和识别挑战不同设计目标挑战不同设备管理挑战8.4 IPv6网际互联8.4 IPv6网际互联概述概述6Lowpan IPv6 over low power WPAN 是低速无线个域网（是低速无线个域网（LR-WPAN）标准，网络层互联方案）标准，网络层互联方案 面向的对象：短距离、低速率、低功耗、无线通信面
34、向的对象：短距离、低速率、低功耗、无线通信 IETF 2004.11月正式成立月正式成立6Lowpan工作组，将工作组，将IPv6引入以引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网，任务是定义在如为底层标准的无线个域网，任务是定义在如何利用何利用IEEE 802.15.4链路支持基于链路支持基于IP的通信的同时，遵守的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。消除对多种设备的互操作性。消除对多种复杂网关（每种网关对应一种本地复杂网关（每种网关对应一种本地802.15.4协议）以及专协议）以及专用适配器和网关专有安全与管理程序的需要。用适配器和网关
35、专有安全与管理程序的需要。IEEE 802.15.4IEEE 802 15.4设备密度很大，迫切需要实现网络化设备密度很大，迫切需要实现网络化不同设备制造商设备互联和互操作性，需统一的网络层标准。不同设备制造商设备互联和互操作性，需统一的网络层标准。特点：特点：低速率低速率，对于，对于2.4GHz、828MHz、915MHz 3个频段分别对应个频段分别对应250Kb/s、20Kb/s和和40Kb/s3种速率；种速率；低功耗低功耗，在待机模式下可使用，在待机模式下可使用2节节5号干电池驱动号干电池驱动6个月以上；个月以上；低成本低成本，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，一般采
36、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；设备；短距离短距离，节点信号覆盖范围有限，一般为，节点信号覆盖范围有限，一般为10100m；低复杂度低复杂度，比现有的标准低；，比现有的标准低；短帧长短帧长，最大帧长度为，最大帧长度为127字节；字节；多拓扑多拓扑，网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑，网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑2种基本拓扑种基本拓扑结构及其混合组网。结构及其混合组网。6Lowpan 目标是：目标是：在网络层和在网络层和MAC层间加一个网络适配层，完成包头压缩、分片、重组和层间加一个网络适配层，完成包头压缩、分片、重组和路由转发等，实现在路由转发等，实现
37、在IEEE 802.15.4上传输上传输IPv6数据包。数据包。优势优势:(1)：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步，也在加速其普及的步伐，在伐，在LR-WPAN网络中使用网络中使用IPv6更易于被接受。更易于被接受。(2)：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，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网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。简单、有效地开发。(3)更多地址空间更多地址空间：满足了部署大规模、高密度：满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。网络设备的需要。(
38、4)支持无状态自动地址配置支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时，可自动读取中当节点启动时，可自动读取MAC地址，并根据相关地址，并根据相关规则配置好所需的规则配置好所需的IPv6地址。这对传感器网络来说非常有吸引力，因为大多数情况下地址。这对传感器网络来说非常有吸引力，因为大多数情况下不可能对传感器节点配置用户界面，节点须具备自动配置功能。不可能对传感器节点配置用户界面，节点须具备自动配置功能。(5)易接入易接入：LR-WPAN使用使用IPv6技术，更易于接入其他基于技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用使其可以充分利用IP网
39、络的技术进行发展。网络的技术进行发展。(6)易开发易开发：目前基于：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性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。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。关键技术关键技术(1)IPv6和和IEEE 802.15.4的协调的协调 IEEE802.15.4定义最大帧长度是定义最大帧长度是127字节字节MAC头部最大长头部最大长度为度为25字节，剩余的字节，剩余的MAC载荷最大长度为载荷最大长度为102字节。如果字节。如果使用安全模式，不同的安全算法占用不同
40、的字节数，比如使用安全模式，不同的安全算法占用不同的字节数，比如AES-128需要需要21字节，字节，AES-64需要需要13字节。这样留给字节。这样留给MAC载荷最少只有载荷最少只有81个字节。而在个字节。而在IPv6中。中。MAC载荷最大为载荷最大为1280字节。字节。IEEE 802.15.4帧不能封装完整的帧不能封装完整的IPv6数据包。数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之层之间引入适配层，用来完成间引入适配层，用来完成分片分片和和重组重组的功能。的功能。关键技术关键技术(2)地址配置和地址管理地址配置和地址管理 IPv
41、6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的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，这正适合来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。设备特点。同时，由于同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比设备可能大量、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。较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。涉及到：涉及到：ipv6无状态地址自动配置、邻居发现协议无状态地址自动配置、邻居发现协议 实现在实现在IPV4中地址解析协议中地址解析协议ARP,控制报文协议控制报文协议ICMP中的地中的地址解析、路由
42、器发现部分、重定向协议的功能，且有邻居址解析、路由器发现部分、重定向协议的功能，且有邻居不可达检测机制，实现了前缀发现、参数发现、地址自动不可达检测机制，实现了前缀发现、参数发现、地址自动配置、下一跳确定以及重复地址检测等功能。配置、下一跳确定以及重复地址检测等功能。关键技术关键技术(3)网络管理网络管理 网络规模大，且一些设备的分布地点又是人员所不能到达网络规模大，且一些设备的分布地点又是人员所不能到达的，因此的，因此LR-WPAN网络应该具有网络应该具有，要求，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。设备。
43、由于在由于在IEEE802.15.4上转发上转发IPv6数据提倡尽量使用已有的协数据提倡尽量使用已有的协议，而简单网络管理协议议，而简单网络管理协议(SNMP)又为又为lP网络提供了一套很网络提供了一套很好的网络管理框架和实现方法，因此，好的网络管理框架和实现方法，因此，6LowPan倾向于在倾向于在LR-WPAN上使用上使用SNMPv3进行网络管理。但是，由于进行网络管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于的初衷是管理基于IP的互联网，要想将其应用到硬件资源的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的受限的LR-WPAN网络中，仍需要进一步改进。例如：限制网络中，仍需要进一步改进。例如：限制数据类
44、型、简化基本的编码规则等。数据类型、简化基本的编码规则等。关键技术关键技术(4)安全问题安全问题 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，而设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的在链路层提供的AES安全机安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为的安全机制就成为6LowPan研究的关键问题之一。研究的关键问题之一。目前应用目前应用 智能家居、环境监测等智能家居、环境监测等每个家庭安装一个家庭网关、若干个无线通信每个家庭安装
45、一个家庭网关、若干个无线通信6LowPan子子节点模块。在家庭网关和每个子节点上都接一个无线网络节点模块。在家庭网关和每个子节点上都接一个无线网络收发模块收发模块(符合符合6LowPan技术标准的产品技术标准的产品)，通过这些无线，通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。：采用：采用AMR嵌入式系统，主要功能是报警，小区嵌入式系统，主要功能是报警，小区网页浏览，与小区管理中心通信网页浏览，与小区管理中心通信，与各网络子节点通信，与各网络子节点通信：收集数据，数据输出，与：收集数据，数据输出，与家庭网关通信家庭网关通信 本章小结内容
46、回顾内容回顾本章介绍了典型无线低速网络协议，重点讨论了802.15.4/ZigBee协议各网络层次的特点，并就无线传感网协议实现需要注意的问题展开谈论。重点掌握重点掌握了解物联网需要低速网络协议的原因。对比Wi-Fi，理解蓝牙和红外技术的适用范围和特点。了解802.15.4对物理层和链路层的规定。理解距离矢量路由协议的原理。本章小结重点掌握（续）重点掌握（续）理解无线传感网物理层和MAC层的链路特点。掌握MAC层为降低功耗采用的低功耗侦听协议（采样侦听和调度）。理解无线传感网网络层设计时链路质量的重要性。掌握链路质量的评价标准ETX的原理和计算。了解无线传感网网络层典型路由协议CTP和Drip。Thank you!
