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IPv6无线传感器网络的研究及其应用
Research and Application of IPv6 Wireless Sensor Networks
2009-09-25
作者:张宏科,梁露露,高德云
英文关键字:wireless sensor networks; IPv6 protocol; protocol stack; interconnect; precision agriculture
关键字:无线传感器网络；IPv6协议；协议栈；互联；精准农业
摘要:将IPv6与无线传感器网络技术结合起来的IPv6无线传感器网络引起了越来越多国内外研究机构与组织的重视。为了实现IPv6技术与无线传感器网络技术的完美融合，需要全面设计新型的无线传感器网络体系结构。文章充分考虑IPv6以及无线传感器网络的技术特点，提出IPv6无线传感器网络体系结构，并开发出一套适用于大规模无线传感器网络应用的嵌入式IPv6微型协议栈，在此基础上，根据实际应用需求，给出IPv6无线传感器网络与Internet互联的两种不同方式，并给出一个在精准农业生产中典型应用实例。
英文摘要:IPv6 WSNs which integrates both IPv6 and WSNs’ merits attracts more and more domestic and foreign research institutes and organizations. However, to realize a perfect integration between IPv6 and WSNs technology, we have to design a novel architecture of WSN. In this paper, considering the technology features of IPv6 WSNs, we design a new architecture of WSN, and the embedded Micro-IPv6 protocols applicable to large scale of WSNs are proposed. On this basis, according to the actual application requirements, two interconnected modes between IPv6 WSNs and Internet and a typical example of application in precision agriculture are given.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60802016)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2007AA01Z241)
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。
1 IPv6无线传感器网络协议栈
在无线传感器网络中引入IP技术有着重要意义[1]：
(1)经济价值方面。可以利用现有成熟的IP技术和已有的网络设施实现IP-Based的应用，不需要额外的基础设施建设，大大减少应用成本。
(2)知识产权方面。IP网络普遍性使得IP组网技术相对其他专用或新型组网技术更容易被人们接受。
(3)互联互通方面。IP-Based无线传感器网络采用与Internet相同的IP技术，可以更容易地实现其与现有外部网络的互联互通。
(4)应用方面。在安全监测应用领域，IP-Based无线传感器网络更具有抗毁鲁棒性，可以及时有效地监测灾害的发生以减少灾害所造成的损失。因此在无线传感器网络中采用IP技术是未来研究的主要方向。
将IPv6技术与无线传感器网络技术融合，在大规模节点组成的传感器网络应用中具有特殊优点。
鉴于此，IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN[2-5]工作组，着手制订基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中。当前此工作组正处于草案征集阶段，许多组织和个人已经提交了有价值的草案，各项技术都还只是处于理论研究及不断探讨中。
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：(1)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。(2)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。
目前国际上有很多科研机构和组织研究IPv6无线传感器网络的体系结构及协议栈，如Arch Rock[6]，uIPv6[7-8]等。Arch Rock是一个致力于IP-Based无线传感器网络应用的公司，其开发的Arch Rock IP/6LoWPAN协议栈以IETF工作组提出的6LoWPAN标准为核心技术，支持IEEE802.15.4标准。uIPv6是由Cisco、Atmel和SICS共同开发，于2008年发布的IPv6微型协议栈。其前身是uIP，是由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)Adam Dunkels开发的适用于嵌入式开发的传输控制协议/网间协议(TCP/IP)栈。然而uIPv6并不具备传感路由协议以及网络管理等，另外有关uIPv6的产品还未进入商业阶段，还远不能适应于大规模无线传感器网络的应用。
北京交通大学从2003年就开始紧密跟踪和研究IPv6无线传感器网络方面的最新技术，并于2004年9月研发出一套适用于小型无线传感器网络节点的嵌入式IPv6微型协议栈MSRLab6[9]，该协议栈遵循6LoWPAN规范，同样严格支持IEEE 802.15.4标准。该协议栈去掉了不必要的组件及扩展功能，使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等协议得到较大精简；直接面向硬件，设计独立于操作系统的调度机制；为提高运行效率，采用了最大容量限制的内存分配方案；设计了基于事件和数据类型驱动的应用程序接口。
MSRLab6微型传感路由器体系结构(见图1)自下而上由通信域、计算域和应用域组成，其中计算域采用了简化的IPv6微型协议栈和自主研发的微型传感路由协议(MSRP)[10]。
(1)通信域
通信域包含载波监听以及数据收发功能，并支持包含IEEE802.15.4标准在内的多种物理层接口，实现设备间数据帧的传输。
(2)计算域
计算域包含路由转发模块，实现网络层的基本功能，包括IPv6微型协议栈MSRLab6及IPv6 MSRP。在节省无线传感器网络系统资源的同时提供应用层数据的IPv6封装和解析，实现与现有TCP/IPv6协议体系的网络进行通信；适用于IPv6传感器网络环境的路由协议MSRP，用于IPv6传感器网络内数据传输时建立和维护路由[11]。
(3)应用域
应用域包括应用模块、传感模块、管理模块等。采用基于接口的独特设计，用于应用层与IPv6微型协议栈通信，实现系统的各种应用功能。
MSRLab6微型传感路由器结构基于IPv6数据传输与互联网体系结构兼容，无需复杂的协议转换设备；而路由机制与数据传输分离，具有传感器网络自身应用的特点能够保证路径最优，并减少选路的能耗和计算复杂度。2005年12月由北京交通大学下一代互联网研究中心研制的中国首台具有完全自主知识产权的新一代传感器网络核心设备——BJTU IPv6微型传感路由器，并通过了中国教育部组织的科技成果鉴定，通过该设备可以实现下一代互联网中“人与物”、“物与物”之间随时随地的通信，具有体积小、成本低、功耗低、组网简单方便等特点，这项成果解决了传感器网络的一系列关键技术问题，部分技术达到国际领先水平。由此，IPv6微型协议栈的传感路由器可以采用IPv6全球合法地址进行通信，实现了真正端到端通信，实现了传感器网络与Internet的无缝融合，使部署“无所不在”的传感器网络成为可能。
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goldjack 发表于 2009/10/27 16:29:05
2楼 回复本楼
2 IPv6无线传感器网络与Internet的互联
将IPv6技术引入无线传感网络可以方便实现与现有网络设备端对端的通信，提高了转发效率，增强了安全性。根据不同的应用需求，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
当IPv6无线传感器网络内部有移动设备进入，需要获取传感器节点采集的相应数据信息时，如果按照常规方法即通过网关接入Internet网络再经Internet网络与移动设备进行互联的方式通信，显然是不够灵活的。而且网关接入方式在传输数据时中间节点的能量损耗会进一步加剧，整个互联过程中会造成较大的通信负担。因此可以采用移动终端直接与区域内无线传感器网络节点通信的方式进行互联，这样便简化了网络接入的模型。这种方式下，IPv6无线传感器网络设备可以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。Pv6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2所示。
当移动终端进入无线传感器网络内采用直接互连方式与传感器节点进行通信时，移动终端可根据IPv6协议首先进行网络地址的自动配置。由于移动终端和传感器节点均配置了IPv6协议，因此两者可使用链路本地地址根据网络协议进行直接、便捷的通信。在环境监测的应用环境中，管理者可以手持移动终端进入传感器网络内部，通过与节点的直接互联获得感兴趣的数据。在这种情况下，传感器节点通常位于视距范围内，与移动设备仅一跳之隔。移动终端通过发送数据请求建立通信，这样大大降低了网络系统的复杂程度，减少了在数据获取过程中造成的能量损耗，延长了节点的使用寿命。
(2)网关接入方式
无线传感器网络设备低成本、低功耗、低复杂性的要求以及接入网络基础设施的多样性，决定了每个IPv6无线传感器网络设备都直接接入现有网络是不切实际的。通常，设备的程序存储区和数据存储区都非常有限，无法配置完备的网络协议栈和大规模路由协议，因此，采用一种硬件资源相对丰富的网络连接设备(网关)完成IPv6无线传感器网络与Internet的互联互通。
Pv6无线传感器网络与现有网络互联互通的网关接入方式如图3所示，IPv6无线传感器网络设备部署精简的网络协议栈，将采集的监测数据通过无线传感器网络路由协议汇聚到网际连接设备(网关)，网际连接设备进行数据的转发处理，接入各种承载网络将信息发送到服务器；承载网可以是WiFi、以太网、GSM等，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。
采用网际连接设备完成IPv6无线传感器网络的互联互通，减少了无线传感器网络设备的复杂性，无需为每一个设备部署承载网络的接入设备(以太网口、AP设备等)，降低了应用成本。另外，网际连接设备(网关)只负责数据的转发，不做网络层、应用层协议的处理，与ZigBee[12]、蓝牙等网络代理网关设备相比，增加了转换效率，又没有破坏端对端的控制，保证了数据的透明传输以及安全性。无线传感器网络应用的不同，必须采用不同的承载网络，网际连接设备可以扩展不同的协议转换模块，接入各种承载网络，具有更强的灵活性。
3 IPv6无线传感器网络的应用
IPv6无线传感器网络在精准农业、安全监测、环境保护、智能建筑、医疗监护等诸多方面具有广阔的应用前景[13]。北京交通大学下一代互联网研究中心无线传感器网络组，利用IPv6无线传感器网络应用系统成功实现了在精准农业生产中的应用，在温室部署大量的不同类型的传感器节点，达到监测控制温室的目的。
在精准农业生产中的应用系统实现了以下主要功能：
(1)环境监测功能
各个温室内部署有温度、湿度、CO2浓度、土壤湿度、光强传感器监测系统，实现对温室内环境的监测，用户远程获知温室内环境信息并做出相应控制措施，当某个参数超过该设定值时，发出警报通知用户。
(2)温室内设备控制功能
用户获知温室内的环境参数后，可以根据各种植物要求的环境信息来远程控制温室内的设备，满足植物生长的环境。
IPv6无线传感器网络在精准农业中的应用如图4所示。该应用系统部署在3个温室内，根据用户需要测试的位置点已经固定，每个温室中部署16个不同应用类型的传感器节点，包括2个土壤湿度、2个CO2浓度、4个空气温度、4个空气湿度、3个室内光强、1个室外光强传感器节点，监测农作物的生长环境，采集节点可以直接传输数据到网关节点，承载网是CDMA网，实现与Internet的互联。另外在在室外也布置一个光强节点，通过比较室内外光的强度，从而决定是否放下或提起遮挡帘。
从实际应用系统的结果看来，IPv6无线传感器网络的应用系统设计满足精准农业的监测控制等各项要求，各采集节点动态的选择最优路由传输采集到的信息，实现系统的功能，由于每个节点具有IPv6地址，管理员可以方便地根据地址来控制该节点。另外，可以看出该应用系统灵活且可扩展，若改变节点传感器的类型或系统应用软件，则可以应用到无线传感器网络的其他应用领域，实现不同的应用要求。
4 结束语
IPv6无线传感器网络是当前通信领域的一个研究热点，是信息感知和采集的一场革命，具有广阔的应用前景。IPv6无线传感器网络将IPv6技术与无线传感器网络进行融合具有重要意义，值得深入研究。
5 参考文献
[1] MAYER K, FRITSCHE W. IP-enabled wireless sensor networks and their integration into the Internet[C]// Proceedings of the 1st International Conference in Integrated Internet Ad Hoc and Sensor Networks, May 30-31, 2006, Nice, France.
[2] IETF working group 6lowpan.IPv6 over Low power WPAN (6lowpan) [EB/OL]. [2006-07-07]. http://www.ietf.org/html.charters/6lowpancharter.html.
[3] KUSHALNAGAR N, MONTENEGRO G, SCHUMACHER C. IPv6 over low-power wireless personal area networks (6LoWPANs): Overview, assumptions, problem statement, and goals[R]. IETF. RFC 4919. 2007.
[4] MULLIGAN G, GROUP L W. The 6LoWPAN architecture[C]//Proceedings of the 4th Workshop on Embedded Networked Sensors(EmNets’07), Jun 25-26,2007, Cork, Ireland.
[5] MONRENEGRO G, KUSHALNAGAR N, HUI J, et al. Transmission of IPv6 packets over IEEE 802.15.4 networks[R]. IETF. RFC 4944. 2007.
[6] Arch Rock Company. Arch Rock[EB/OL]. [2009-05-26]. http://www.archrock.com.
[7] The contiki operating system--uIPv6: Contiki is IPv6 ready [EB/OL]. [2008-10-14]. http://www.sics.se/contiki/current-events/uipv6-contiki-is-ipv6-ready.html
[8] DURVY M, ABEILLE J, WETTERWALD P, et al. Making sensor networks IPv6 ready[C]// Proceedings of the 6th ACM Conference on Embedded Network Sensor Systems(SenSys '08), Nov 05-07, 2008,
[9] HUO H, ZHANG H, NIU Y, et al. MSRlab6: An IPv6 wireless sensor networks testbed.[C]//Proceedings of the 8th International Conference on Signal Processing(ICSP’06):Vol 4, Nov 16-20, 2006,
[10] 刘小刚, 张思东, 季策, 等．IPv6低速无线个域网的路由设计与实现[J]. 重庆邮电学院学报:自然科学版, 2006,18(1):38-42.
[11] 张宏科, 张思东, 刘文红. 路由器原理与技术 [M]． 北京:国防工业出版社, 2003.
[12] Zigbee Alliance[EB/OL]. [2009-03-11]. http://www.zigbee.org/.
[13] YICK J, MUKHERIEE B, GHOSAL D. Wireless sensor network survey[J].Computer Networks, 2008,52(12):2292-2330.
引用 goldjack 2009/10/27 16:29:05 发表于2楼的内容
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moxa 发表于 2010/5/25 16:52:30
3楼 回复本楼2009年1月7日，中国，上海。Moxa自豪的宣布，EDS-510A成为市场中首款可以
打上IPv6 logo标签的网管型
工业以太网交换机。 取得IPv6 Ready
logo项目组认证，意味着EDS-510A和IPv6强制核心协议兼容，并与其它符合IPv6的设备兼容。IPv6是为了解决全球范围的IP地址紧缺而
设计的，IPv6提供128位的地址，支持无阻碍的网络流量和双向通讯。Moxa正在努力的工作，不久的将来，Moxa全系列的工业以太网交换机都可以符
合IPv6规范。工业以太网络支持下一代的IP协议，EDS-510A可以提供无虑的自动IP地址配置，最高安全性和内置的QoS。
使用IPv6最大的好处在于能够支持额外的地址空间。Moxa
EDS-510A支持双协议栈过渡结构，同时支持IPv4和IPv6，用户不用担心在未来几年内升级他们的网络设备。通过自动分配IP地址和IP
sec安全认证，EDS-510A确保了在工业网络上的安全和灵活的通讯。此外，IPv6数据包标签提供了改良的服务质量（QoS）流量优先级。
引用 moxa 2010/5/25 16:52:30 发表于3楼的内容
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