6LoWPAN在物聯(lián)網(wǎng)中的應用仿真

摘要：提出了一種基于6LoWPAN的物聯(lián)網(wǎng)總體方案，同時對協(xié)議中的Mesh字段進行了改進，然后在網(wǎng)絡模擬環(huán)境下對本協(xié)議平均傳輸成功率、平均延遲時間的性能進行了比較分析，并在仿真環(huán)境中進行了實驗驗證工作。實驗數(shù)據(jù)表明，改進后的協(xié)議具有更好的性能。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Mesh；網(wǎng)關(guān)；協(xié)議

0 引言
物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡等信息載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通，從而提供智能服務的網(wǎng)絡系統(tǒng)。國家“十二五”規(guī)劃明確提出，物聯(lián)網(wǎng)將會在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、金融與服務業(yè)、國防軍事等十大領(lǐng)域重點部署。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本等特點的要求，IEEE802．15．4是當前最適合的底層技術(shù)，但IEEE802．15．4標準只定義了其中的兩層，即物理層(PHY)和MAC子層。位于這兩層以上的層在IEEE802．15．4中并沒有定義，為此，本文根據(jù)IEEE802．15．4的特點，給出了ZigBee和6LoWPAN在其IEEE802．15．4標準上層應用規(guī)范中的兩種最典型的實現(xiàn)形式。

1 總體設(shè)計
圖1所示是基于IEEE802．15．4的網(wǎng)絡層協(xié)議示意圖。

本文主要研究的是基于6LoWPAN的物聯(lián)網(wǎng)。實際上，物聯(lián)網(wǎng)可能有很多個節(jié)點，并且可能通過Internet與其它節(jié)點互聯(lián)。為了能夠與其它IP設(shè)備互操作，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要使用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡層協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點問可以使用其它協(xié)議，但為了方便與網(wǎng)關(guān)連接，合理的方法應該是采用IP協(xié)議。6LoWPAN的目標就是在IEEE802．15．4 MAC層上構(gòu)建IPv6協(xié)議棧，使物聯(lián)網(wǎng)能夠平滑地連接到IPv6 Internet。
為了實現(xiàn)與IPv6 Internet的互聯(lián)，本文給出了如圖2所示的總體設(shè)計。該協(xié)議中間采用的是雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)，其中一邊是IPv6網(wǎng)絡，一邊是由物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點組成的網(wǎng)絡，然后通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的相互通信。

但這種設(shè)計仍然存在以下問題：第一是IPv6包頭很大，而IEEE802．15．4 MAC凈荷僅有127 B，所以需要對IPv6包頭進行壓縮以便騰出位置；第二是IPv6數(shù)據(jù)包支持的最小字節(jié)數(shù)(1280B)遠大于IEEE802.15.4幀所能包含的字節(jié)數(shù)(127B)，因此，必須拆包才能裝進IEEE802．15．4幀中；第三，因IPv6地址數(shù)量為海量，故將導致路由表太長，如果在IP層選路，則選路時間太長，難以接受。為此，本文在6LoWPAN體系結(jié)構(gòu)中引入了一個適配層，并在該層完成數(shù)據(jù)分片與數(shù)據(jù)重組、壓縮和選路等功能。圖3所示是其壓縮與分片示意圖。
1．1 包頭壓縮的設(shè)計
雖然IEEE802．15．4幀保留了81 B的空間來供IPv6使用，但是僅IPv6報頭就占了40B，而如果使用UDP報文的話，UDP報頭還要占用8B，剩余空間就更加有限。因此，必須使用報頭壓縮技術(shù)來提高報文的凈荷傳輸率。
6LoWPAN報頭壓縮的基本思想首先是使報頭中所有在連接過程中保持不變的域都可以完全壓縮掉；第二是使報頭中變化的、可以預先知道的域也可以壓縮掉；第三，使得報頭中由鏈路層可獲知的信息域也可以壓縮掉；第四，使報頭中有些域的存在是有條件的或是可選的，這樣，對于特定應用就可以去掉。
其具體的壓縮見表1所列。