基于6LOWPAN的IPv6传感器网络报头压缩方案的设计与实现

　　0 引言

　　无线传感器网络是由大量按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点以自组织方式构成的无线网络。传感器网络具有成本低、能耗代、灵活性高等优点，可以应用于国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、反恐抗灾等领域，具有重要的研究价值和应用前景。无线传感器网络节点的资源非常有限，因此需要一个轻量级的无线通信规范。IEEE 802.15.4标准定义了一个短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率的介质访问控制层(MAC)和物理层(PHY)规范，该标准的技术特点决定了它特别适合传感器网络、智能家庭网络、工业控制网络等节点众多、数据率较低的应用环境。IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址、安全、移动及与现有网络融合等方面的需求。因此，IPv6与IEEE 802.15.4在传感器网络上的结合有着无可比拟的应用前景。

　　2004年11月IETF成立了6LoWPAN(IPv6 overLow power WPAN)工作组，研究IPv6在IEEE 802.15.4网络上的应用方案。6LoWPAN工作小组对适配层技术、报头压缩技术、路由技术、IPv6技术等提出了相应的解决办法。IPv6要求支持1 280 B的MTU，而IEEE802.15.4标准规定的物理层最大帧为127 B，除去物理层25 B的帧负载，在无安全机制的情况下MAC层最大帧长度为102 B，因此需要在网络层之下引入适配层来协调二者的关系。由于IPv6标准报头是40 B，为了在IEEE 802.15.4上更加有效的传输IPv6数据包，提高净荷的传输效率，报头压缩是一个很好的解决办法。

　　本文以北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室自主开发和研制的微型传感路由器所构建的IPv6无线传感器网络为基础，设计并实现了一种更为高效的IPv6报头压缩方法，并对压缩性能进行了分析。

　　1 平台简介

　　本文基于IPv6无线传感器网络平台的拓扑结构及协议层次如图1所示。IPv6无线传感器网络节点设备可以自组织形成多跳Mesh网络，将采集到的温度、湿度、光强等环境信息发送给网关设备。网关设备通过以太网直连的方式与服务器进行通信，并把收到的来自传感器节点的数据提交给服务器，服务器端完成对整个IPv6传感器网络的控制和环境信息的人性化显示。

　　传感器节点采用ATmega128作为处理器、使用CC2420作为射频芯片，能量供应模块可以使用9 V直流稳压电源或使用9 V干电池直接供电，同时配备温湿度传感器和光强传感器对环境信息进行采集。节点通信协议分为5层，物理层采用IEEE 802.15.4通信规范，使用OQPSK方式进行调制，发送频段使用2.4 GHz，传输速率可达250 Kb/s。适配层实现数据包的分片和重组、报头压缩以及Mesh路由等功能。网络层运行精简的微型IPv6协议栈，该协议栈代码量小、简易轻型并且可以与使用完整的IPv6协议栈的对等节点进行通信。应用层主要运行传感器网络应用级程序，比如数据采集、环境监控等。节点的层次协议设计完全遵守RFC4919和RFC4944中定义的规范。