无线传感器网络Ipv6OverWSN协议实现与关键技术研究.doc

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1、项目名称及编号广东公司2010年度“物联网”重大科技专项项目KJXM10ZX014子课题1：无线传感器网络Ipv6 Over WSN 协议实现与关键技术研究子课题2：传感器网络认证和加密技术研究主要研究单位及负责人（联系方式)其他研究单位及负责人（联系方式)是否集团重点(是/否)子课题1：是子课题2：是是否联合项目（是/否)子课题1：否子课题2：否项目经费（万元)子课题1：56.0万子课题2：35.0万项目起止时间2010年6月2011年9月专业类别IP，无线，数据业务研究类别超前研究关键词索引（35个)Ipv6 Over WSN 协议 传感器网络 认证 加密该项目在研究单位内部的评审结果优秀

2、该项目在研究单位内部的评审意见：物联网技术是当今热门技术领域，也是我公司建立无线城市的重要技术保障，无线传感器网络IPV6 Over WSN协议实现与关键技术研究和传感器网络认证和加密技术研究两个子课题的研究有利于我公司在物联网前沿技术方面保持领先，具有较强的先进性和创新性，并且本项目的研究成果方便移植和分享，具有较强的可推广性，对物联网技术应用和无线城市建立具有巨大推动作用。项目的简介1、 无线传感器网络Ipv6 Over WSN 协议实现与关键技术研究1、项目的目的和意义无线传感器网络（简称WSN)，作为物联网核心技术之一，它是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的物联网智能传感系统。无线

3、传感器网络低层协议采用符合低速无线个人区域网（LR-WPAN)要求的IEEE 802.15.4标准协议，链路层以上基本采用专用的网络协议如ZIGBEE等。采用ZIGBEE等专用协议的优势是较为符合LR-WPAN低功耗、低成本、低速率传输等要求，但这些专用协议具有兼容性弱、可扩展性差、尤其无法解决下一代IP地址等核心问题。如何将无线传感器网络统一纳入到IP体系中，是目前无线传感器网络发展中最为关键的问题之一。虽然，目前IPv6 Over IEEE802.15.4标准已经基本制订，但到目前为止依然存在很多问题需要进一步解决和完善：(1)目前IPv6 Over IEEE 802.15.4标准还没有成

4、熟的协议软件的具体实现。(2)因为IEEE 802.15.4的特点，需要考虑实现Mesh路由机制，但基本上采用移动自组织网络的协议，如AODV、DYMO等，这些协议基本上不符合WSN网络对功耗、传输速率等方面的要求。(3)需要完成支持IPv6的功能，如无状态自动配置、邻居发现等机制，目前还没有文献说明完全支持IPv6核心机制。(4)无线传感器网络由于其无线、电源等特点，导致拓扑结构经常变化、链路经常变化等，因此需要自适应的网络管理系统和机制。无线传感器网络IPv6 Over WSN协议实现与关键技术研究就是为了解决以上实际问题而应运而生。该研究主要有以下意义： 为无线传感器网络和IP通信网络的

5、融合和统一管理提供了技术实现手段； 为物联网接入海量的各种不同的传感器终端提供了IP地址空间保证； 为实现物联网真正的终端到终端的智能通信模式提供技术可能性； 通过实现传感终端的地址自动配置，真正满足物联网的即插即用特性； 通过简化信息头格式，提供更为直接、更为高效、更为可靠的数据传输方式； 为物联网应用中的传感器端到端的数据传输提供了增强的安全保障机制； 增强的移动IP支持满足物联网移动应用在任何时间和任何地点，以任何方式进行互联的要求； 通过优先级控制和QoS保障，满足传感数据传输特点，保证传输服务质量。本课题的研究的主要目标为：主要研究目标2、解决的问题(1)实现ipv6协议在传感器节点

6、上的传输，即6LowPAN协议的实现。作为 Ipv6 协议层和IEEE802.15.4MAC层间的一个中间层，6LowPAN协议向上提供Ipv6 对IEEE802.15.4 媒体的访问支持，屏蔽掉MAC层接口的不一致性，为IP层提供标准的接口，向下则控制网络构建、拓扑及MAc层路由。该层具体解决了抱头压缩、报文分片与重组、地址自动配置、组播支持、Mesh 路由、网络安全等问题。(2)IPv6 Over IEEE 802.15.4 协议的实现与优化，主要是通过报头压缩的核心策略，采用对数据包信息进行分段的机制，最小化非数据负载所用的字节数，使IPv6、ICMPv6 等协议在IEEE802.15.

7、4 协议上传输速度大大提高。(3)将无线传感器网络节点纳入IP体系，直接实现端到端的数据通信效果。3、取得的经济效益和社会效益Ipv6产生的初衷就是针对Ipv4地址日益短缺的问题。现阶段Ipv4地址分配即将结束，Ipv6可以一劳永逸的解决地址短缺问题。而将无线传感器网络纳入到IP体系中，可以有效推动物联网的发展和普及，这将是网络发展的又一次革命。本项目研究得经济和社会效益如下：(1)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)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)IP-Base

8、d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)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，将会取得巨大的经济和社会效益。 2、 传感器网络认证和加密技术研究1、项目的目的和意义(1)在传感器网络中，由于节点能量有限、存储空间有限、计算能力弱的特点，使得加密算法及其实现方式的评价与选择除了考虑足够的安全强度外，还要考虑运行时间、功耗、存储空间占有量等因素。研究现有加密算法特

9、点及其在传感器网中的可用性，总结在传感网中如何评价加密算法以及如何实现加密算法，是物联网实现安全通信的关键。(2)从业务的角度出发，对安全要求不高的业务，在网络能够提供逐跳加密保护的前提下，业务层端到端的加密需求就显得并不重要。但对于高安全需求的业务，端到端的加密是其首选。通过比较逐跳加密与端到端加密两种不同的使用场景、优缺点、使用原则，以及对比其所适用的加密算法，明确传感网中的特殊安全需求,考虑针对于不同安全需求的业务如何提供安全保护,划分不同业务对安全需求的等级并选择满足业务自身需求的加密机制，可以解决传输过程中加密机制的选择问题。(3)通常基站或网络用户会向网络发送的节点广播命令和数据，

10、这类命令和数据的认证对于传感器的正常运作至关重要。如果接收到伪造的或修改过的命令或数据，传感器节点很可能会执行不必要的或错误的操作。在一些有敌对环境的应用中，节点必须能够认证来自基站或网络用户的广播消息。2、解决的问题(1)传感网络由于其技术优势，在军事领域和民用领域都得到了广泛的应用。由于无线信道是开放的，所以不能像有线网络那样依靠通信信道的安全来保护信息，必须假设所有网络入侵者可以获得无线信道中传输的信息内容，因此要通过加密技术对信息进行保护。(2)作为运营商的中国移动，已经有非常完善的广域覆盖通信网络，但对于物联网还是有新的挑战。面对物联网由大量机器构成、缺少人对设备的有效监控、数量庞大

11、、设备集群等特点，如何保障信息安全问题，除了面对移动通信网络的传统网络安全问题之外，还存在着一些与已有移动网络安全不同的特殊安全问题。3、取得的经济效益和社会效益物联网的应用才刚刚起步，国家及各级组织对于物理网的研发主要集中在行业应用的示范工程与共性平台的开发，而对于安全问题的研究目前才刚刚起步。对于物联网的典型应用环境往往涉及到无线、无源、资源受限等问题，传统的针对互联网的安全体系并不适用于无线传感网的应用。本课题未来的可产生的经济效益如下：1、将加密与广播认证的选择依据作为无线传感网安全方法选择的标准，建立行业规范，进而形成未来无线传感网的安全标准；2、结合已有的研发结果，可以研制专门的无

12、线传感网领域的安全产品，量产后，作为通用化的产品模块配合物联网的规模化应用；3、仿真实验平台可以作为物联网演示的最小系统，可以作为家庭环境监测服务的原型系统，同时在演示系统中涉及到对能耗的监控，未来可以推广为节能减排的监控侧解决方案。对现有企业标准规范的符合度：本项目符合中国移动M2M终端规范WMMP协议分册（版本号：V1.0.0,编号：QB-E-007-2008）。WMMP协议通过采用3DES加密算法对传输过程中的数据（TLV或TLV组）进行加密，来实现报文数据的安全性。但在传感器网络中，由于节点能量有限、存储空间有限、计算能力弱的特点，使得加密算法及其实现方式的评价与选择除了考虑足够的安全

13、强度外，还要考虑运行时间、功耗、存储空间占有量等因素。在实际应用中，人们对通信的实时性和传输质量(误码率)总是有一定的要求，这就决定了不同的数字通信系统、不同的通信目标需求应选用不同的密码体制来提供保密性。该项目的专利情况： 正在准备预申请的专利：1、一种支持优先级数据传输的IEEE 802.15.4MAC协议改进方法2、IPv6无线传感器网络报头压缩方法该项目研发存在的主要问题及今后的设想：一、 无线传感器网络Ipv6 Over WSN 协议实现与关键技术研究1、研发进展完成基于IPv6 Over WSN协议实现平台硬件架构整体设计，完成基于IPv6 Over IEEE 802.15.4/I

14、Pv6 Over WSN协议的软件开发，完成对IPv6 Over WSN协议中的路由协议的改进，搭建实现MESH组网原型进行系统演示。2、今后设想通过此项目的研究，将为无线传感器网络和IP通信网络的融合和统一管理提供技术实现手段；未来将制定一种具有自主知识产权的融合IPv6核心机制与WSN网络通信特点的系统体系框架模型。二、传感器网络认证和加密技术研究1、 目前存在的问题：1.1 仿真结果的可靠性在仿真环境中实现选定的加密算法对节点数据的加解密，仿真结果是否适合于真实的传感器网络还有待进一步的论证，就其安全性而言，传感器网络还需要通信安全，如节点的安全保证、被动抵御入侵的能力和主动反击入侵的能

15、力等。1.2 传统认证方案不适用于传感网在传统网络中应有的典型认证方案，由于其复杂的计算并不适用于资源严格受限的传感器网；基于密钥机制的方案中，被俘节点可以伪造来自发送方的消息，需要针对传感网的独特特点提供一个有效的广播认证方案，既能满足网络对安全的需求，又能最大程度的节约传感器节点的能量。1.3 加密算法选择的多样化加密算法的选择除需要满足传感器节点自身能源受限、计算能力受限等限制外，还具有多样化的特点。传感器网络是一个应用相关的网络，传感器网络的应用非常广泛，不同的应用对安全的需求也不相同。在金融和民用系统中，对于信息的窃取和修改比较敏感，而对于军事领域，除了信息可靠性以外，还必须对被俘节

16、点、异构节点入侵的抵抗力进行充分的考虑，所以，传感器网络必须采用多样化的，精巧的灵活的方式解决安全问题，需要根据不同应用的要求对加密算法进行不同的选择。2、主要研究内容2.1加密算法的评价研究目标：依据移动物联网应用的特点，并根据不同加密算法的特点，选择适用于传感器不同应用场景的加密算法并通过评价因子对其进行评价。成果：（1）无线传感器网络安全加密算法研究论文 （2）传感器网络加密算法应遵循的原则归纳 （3）适用于传感网的加密算法筛选及实现 （4）加密算法的评价因子确定2.2广播认证方案的研究 目标：广播认证方案主要由两个部分组成：一是用于广播认证的加密技术，二是广播认证协议。应选择好的加密技

17、术和广播认证协议，并使两部分充分结合、优势互补、满足传感网广播认证方案的设计原则。成果：（1）广播认证方案原理研究报告 （2）适用于广播认证的加密技术的选择与改进方案 （3）广播认证协议的选择与改进方案2.3应用方案设计及设备环境实现（1）应用及组网方案设计本项目将实现智能家居中三个典型应用场景：远程抄表、温度查询和空调控制。应用场景中通过射频、ZigBee、GPRS三种通信方式，可实现开关控制（ZigBee插座）、开关量采集（ZigBee插座）、数字计量信息采集（温度、远程抄表）三大模块。（2）设备组网与仿真平台搭建根据应用方案在感知层、网络层、应用层的具体组网方案进行相关设备的配置。项目研

18、究成果的主体内容：无线传感器网络Ipv6 Over WSN 协议实现与关键技术研究一、背景情况2009年11月3日，国务院总理温家宝发表了题为让科技引领中国可持续发展的讲话。温总理指出，抢占五大新兴战略性产业制高点，要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发。同时，中国移动董事长王建宙多次提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。无线传感器网络（简称WSN)成为当前的应用热点，同时也是中国移动的重点发展业务。然而，无线传感器网络节点需要配置唯一的地址标识，才能实现有效的通信和管理。传感器网络的应用需要大量的地址空间，然而全球IPv4公有地址即将耗尽，IPv6技术的兴起是

19、解决地址问题的有效解决方案。IPv6 的丰富地址资源对WSN 具有很大的吸引力。无线传感器网络引入IPv6 后，可以很方便地接入其它网络。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；目前简单的基于ZigBee协议的传统无线传感器网络无法实现诸如远程监控等端到端的IP应用；将IPv6 纳入无线传感器网络之中，实现IPv6地址在无线传感器网络中正确传输，使得无线传感器易于接入其它基于IP技术的网络及下一代互联网，实现真正意义上端到端的互联互通。二、技术特点分析无线传感器网络,作为物联网核心技术之一，它是集信息采集、信息传输、信息处理于一体

20、的物联网智能传感系统。无线传感器网络节点需要配置唯一的地址标识，才能实现有效的通信和管理。无线传感器网络低层协议采用IEEE 802.15.4标准，其是符合低速无线个人区域网（LR-WPAN)要求的低层协议，链路层以上基本采用专用的网络协议，专用协议的优势是较为符合LR-WPAN低功耗、低成本、低速率传输等要求。将IPv6引入到WSN网络通信中，是为了形成一种融合IPv6与无线传感器网络的新型网络形态，实现IPv6技术核心功能在WSN网络中的有效承载，实现无线传感器网络间、无线传感网与IP网络之间真正意义上的端到端的互联互通。该技术的研究成果主要表现在： 研究并创建IPv6无线传感器网络新型体

21、系结构形态； 通过对上层IPv6协议报头压缩、信息包的分片与重组，实现IPv6协议在IEEE802.15.4 MAC层的正确传输； 为物联网系统中真正的端到端的智能通信模式提供技术实现手段； 为海量的物联网节点提供足量的IP地址空间； 通过承载IPv6核心功能，实现传感终端的地址自动配置，真正满足物联网的即插即用特性； 为实现WSN网络与IP网络之间的融合与统一管理提供技术实现手段；1、技术实现分析IPv6 Over WSN协议的实现主要是将当前的通用的IPv6协议栈移植到无线传感器网络节点上，从而能让众多无线传感器节点直接无缝接入IP体系结构中，其满足于真正意义上的端到端之间的直接数据通信。

22、由于IPv6 协议通常使用在计算资源较为丰富的设备上，并没有专门针对传感器等计算资源稀缺设备进行设计，而无线传感器网络通信协议是架设在IEEE 802.15.4协议基础之上，所以直接将IPv6架设到IEEE 802.15.4 MAC 层之上将在硬件资源和协议格式上遇到极大的限制。所以必须设计一种既适合IPv6协议又满足无线传感器网络协议的另外一种协议架构形态。为了避免对目前两种协议做较大的改动，而导致一些未知为问题的出现，可在IP 层和IEEE 802.15.4 MAC 层之间引入了一个适配层，来屏蔽掉底层硬件对于IP 层的限制，让IPv6的报文在IEEE 802.15.4 MAC层进行成功传

23、输，满足IPv6 Over WSN在技术上的实现。参考模型如图所示。6LowPAN协议栈参考模型 经改进后协议模型在此过程中涉及几个关键技术，其具体实现过程分析如下：1)IPv6 Over IEEE 802.15.4协议的信息头处理机制（报头压缩)IPv6 Over IEEE 802.15.4协议的信息头处理机制，作为简化和压缩IPv6协议信息头的机制和方法，实现IPv6数据报文在IEEE 802.15.4层中进行可靠传输，是IPv6 Over IEEE 802.15.4协议最核心工作，也是最基础的工作。由于IEEE 802.15.4协议栈最大传输单元（MTU)为127字节，除去MAC头部25

24、字节后，仅剩下102字节的有效载荷，如果在MAC引入安全机制，则另外需要最大21字节的安全相关字段，因此所能提供给上层的数据报文仅剩下81字节。而在IPv6中，MTU至少为1280字节，仅报头就有40字节，ICMP协议信息头为8字节，UDP信息头为8字节，TCP信息头为20字节。即使不考虑任何附加机制，一个IEEE 802.15.4帧并不能封装一个完整的IPv6数据报文。因此必须简化IP协议的信息头字节，最为关键的是简化IPv6信息头。IPv6 Over IEEE 802.15.4协议的信息头处理机制，报头处理在6LowPAN协议网络中的报头压缩和解压流程，如图所示。6LowPAN层报头压缩/

25、解压处理流程IPv6 Over IEEE 802.15.4报头压缩的核心策略： 报头中所有在连接过程中保持不变的域，都可以压缩掉； 报头中变化的可以预先知道的域，也可以压缩掉； 报头中由链路层可获知的信息域，可以压缩掉； 报头中有些域的存在是有条件的或是可选的，对于待定应用可以去掉； 发送过程：从用户传感器端产生的数据采用IP/UDP结构封装后，进入压缩器进行压缩报头，随后进入低速本地链路，在协调器端对收到的数据包进行报头解压，之后送入网关，再由网关传送到主干高速链路(IP网)。 接收过程：在协调器从网关接收到高速链路传送过来的数据包，送入压缩器进行报头压缩，之后送入低速本地链路，用户接收到数

26、据包之后进行报头解压，还原原始IPv6包，并交由上层处理。如下图，给出了一个IPv6 Over IEEE 802.15.4 简化和压缩IP/UDP协议信息头的机制和方法：通过如上的压缩方式，基本上把40字节的IPv6信息头压缩成2字节信息。在此基础上，如何实现UDP信息头压缩和分段是我们进一步需要考虑和解决的问题。2)IPv6 Over IEEE 802.15.4协议的信息包分段机制（分片和重组)IPv6 Over IEEE 802.15.4协议的信息包分段机制，即6LowPAN协议栈所提到的信息包的分片和重组。当一个负载IPv6报文，不能在一个单独的IEEE 802.15.4 帧中传输时，需

27、要对负载报文进行6LowPAN适配层的分片。此时，适配层帧使用4字节的分片头部格式，而不是2字节的不分片头部格式。另外，适配层需要维护当前的FragmentTag值并在节点初始化时将其设置为一个随机值。A、 分片当上层递交一个超过适配层最大Payfoad长度的报文给6LowPAN适配层后，6LowPAN适配层需要对该IP报文分片进行发送。适配层分片的判断条件为:负载报文长度十不分片头部长度+Meshnelivery字段长度(或Broadcast字段长度)IEEE 802.15.4 MAC层的最大Payload长度。在使用16一bits短地址并且不使用IEEE 802.15.4安全机制的情况下，

28、负载报文长度最大为95(102一2一5)字节。6LowPAN适配层分片的具体过程下图所示。6LowPAN的分片过程对于第一个分片:将分片头部的LF字段设置为01表示第一个分片。Prot_type字段设置为上层协议的类型，特别的，如果是IPv6协议该字段设置为1。另外，由于是第一个分片，offset必定为0，所以在该分片中不需要fragment_offset字段。用当前维护的DatagramTag值来设置datagram一ag字段;datagram_size字段填写原始负载报文的总长度。如果需要在Mesh网络中路由， MeshDelivery字段应该紧随在分片头部之后并在负载报文碎片之前。对于后

29、继分片:分片头部的LF字段设置为11或者10表示中间分片或者最后一片。fragment_offset字段则设置为当前碎片相对于原负载报文起始字节的偏移，需要注意的是这里的偏移是以8字节为单位的，因此每个分片的最大负载报文碎片长度也必须是8字节边界对齐的，也就是说负载报文碎片的最大长度实际上只有88字节。datagram一ag和datagram_size字段的值和第一片中相同。如果需要在Mesh网络中路由， MeshDelivery字段应该紧随在分片头部之后并在负载报文碎片之前。当一个被分片报文的所有分片都发送完成后 DatagramTag加1，当该值超过511后应该翻转为0。对于适配层广播帧，

30、由于节点能量和资源方面的限制，对于一个较大的负载报文的多个分片的广播将给整个LoWPAN网络带来严重的负担。因此，适配层可以选择禁止对需要进行适配层广播的报文(如IPv6组播报文)进行分片操作，适配层将丢弃超过其最大Pay10ad长度并且需要进行广播的负载报文。B、 重组当6LowPAN适配层收到一个分片的帧后，根据以下两个字段判断该分片是属于哪个负载报文的:l 源MAC地址l 适配层分片头部的datagram_tag字段对于同一个负载报文的多个分片，适配层使用如下算法进行重组，其重组过程参见下图所示。6LowPAN的重组过程如果是第一次收到某负载报文的分片，节点记录下该分片的源MAC地址和d

31、atagram_tag字段以供后继重组使用。需要注意的是，这里的源MAC地址应该是适配层分片帧源发地址，如果分片帧有 MeshDelivery字段的话，源MAC地址应该是 MeshDelivery字段中的originator Address字段。如果已经收到该报文的其他分片，则根据当前分片帧的fragment_offset字段进行重组。如果发现收到的是一个重复但不重叠的分片，应该使用新收到的分片进行替换。如果本分片和前后分片有重叠，则应该丢弃当前分片，这样做的目的主要是简化处理，认为如果出现这种情况一定是发送方出现了错误，不应该继续接收。如果成功接收到所有分片，将所有分片按Offset进行重组

32、，并将重组好的原始负载报文递交给上层。同时，还需要删除在步骤1中记录的源MAC地址和datagram_tag字段信息。3)IPv6核心机制在6LowPAN下的承载。A、组播机制。因为IEEE 802.15.4支持广播机制，因此可以实现所有节点的组播功能，但是其任何一件事情需要唤醒全部节点进行处理，不符合无线传感器网络低能耗、低速率等特点。因为无线传感器网络的特点，要求所实现的支持IPv6协议的组播机制一方面必须符合无线传感器网络特点，另一方面必须具有组播机制的普通性。基于6LowPAN的特点，我们需要设计和实现了一种低能耗、低带宽的IPv6 Over IEEE 802.15.4组播机制。B、无

33、状态自动配置。无状态自动配置是IPv6的核心机制，其能够解决节点地址的自动配置，因此有效地解决了网络管理问题。IPv6的地址包括：（1)全局前缀或链路本地地址；（2)接口ID。而IEEE 802.15.4协议中，MAC子层设备地址存在两种不同的格式：（1)16位短地址；（2)EUI-64地址，因此需要实现一种地址映射方法解决IPv6所需要的128位地址。C、轻线程发现机制（邻居发现)。IPv6邻居发现具有很多重要的功能，包括路由发现、邻居发现、重复地址检测、不可达地址检测、前缀发现等，其能够有效地降低网络系统管理的要求。针对无线传感器网络的特点，我们需要实现一种轻线程的邻居发现机制，其能够有效

34、地减低各节点的能量消耗。2、技术的进步性1）在IPv6 Over IEEE 802.15.4必须提供一种简化和压缩IPv6协议信息头的机制和方法，实现ipv6数据适应在IEEE802.15.4中进行传输。传统的报头压缩机制，应用到传感器节点这样的设备上，会造成极大的系统开销，甚至是不可行的。因此，为了在IEEE 802.15.4 MAC层传送IPv6数据包，需要利用链路层和网络层之间的6LowPAN适配层，提出适合6LowPAN网络的报头压缩策略。2）实现了IPv6核心机制的6LoWPAN低层承载，在研究无线传感器网络特点、需求和IPv6协议栈技术的基础上，设计精简的IPv6微型协议栈，优化微

35、型协议栈工作和调度机制；3）研究基于IPv6的无线传感器网络同IPv6骨干网接入方式，实现该网络与现有网络基础设施（如Internet）的融合，实现了无线传感器网络和IP通信网络的互联和统一管理。3、技术的核心价值1）研究并创建一种具有自主知识产权的IPv6无线传感器网络新型体系结构形态；2）通过对上层IPv6协议报头压缩、信息包的分片与重组，实现IPv6协议在IEEE802.15.4 MAC层的正确传输，验证其实现的可行性；3）为物联网系统中真正的端到端的智能通信模式提供技术实现手段；4） IPv6协议融入无线传感器网络为海量的物联网节点提供足量的IP地址空间；三、标准化状况无线传感器网络，

36、旨在建立一种低速率、低价格、低功耗、短距离的无线通信而设计的网络, 以满足对数据传输速率和时延要求不高的无线接人方式。为了达此目的，IEEE标准委员会在2000年12月正式批准并成立了802.15.4组，研究IEEE 802.15.4的技术标准。IEEE 802.15.4只制订了物理层与MAC层标准，至于MAC层以上的协议，802.15.4组并没有制定相关标准方案。因此，IEEE 802.15.4基于物理层与MAC层的技术标准具有良好的可扩展性。2001年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等，成立了ZigBee联盟，着力ZigBee协议

37、标准的制定。ZigBee协议标准由应用层、应用汇聚层、网络层、MAC层和物理层组成。网络层以上主要由ZigBee联盟负责，MAC层与物理层基于IEEE 802.15.4技术标准。2004年11月，IETF成立了一个6LowPAN(IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN)工作组，致力于如何将Ipv6与IEEE 802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE 802.15.4的无线传感器网络的关键问题，从而形成了6LowPAN协议栈模型。它规定了6LowPAN技术底层采取IEEE 802.

38、15.4MAC层与物理层协议，网络层采用IPv6协议栈。随着无线传感器网络的发展，将无线传感器网络统一纳入IP体系中，可作为无线传感器大规模应用的关键的问题之一。虽然，目前IPv6 Over IEEE802.15.4标准已经基本制订，但到目前为止存在很多问题需要进一步解决：（1)IPv6 Over IEEE 802.15.4标准还没有成熟的协议软件的具体实现。（2)需要完成支持IPv6的功能，如无状态自动配置、邻居发现等机制，目前还没有文献说明完全支持IPv6核心机制。（3)因为IEEE 802.15.4的特点，需要考虑实现Mesh路由机制，但基本上采用移动自组织网络的协议，如AODV、DYM

39、O等，其基本上不符合WSN网络对功耗、传输速率等方面的要求。（4)无线传感器网络由于其无线、电源等特点，导致拓扑结构经常变化、链路经常变化等，因此需要自适应的网络管理系统和机制。四、其他运营商应用情况（可选)据现有资料显示，中国联通对Ipv6 有一定的研究，在不久可能部署Ipv6。但是Ipv6 与物联网的联合研究情况不明；中国电信对Ipv6 的研究比较早，成果也教显著，并已经确定Ipv6 网络的三个发展阶段。基于物联网的Ipv6 研究资料不详。五、技术发展趋势2004 年，IETF 成立了6LowPAN 工作组, 研究如何将IPv6 协议应用在低功耗的个域网络上，主要研究起草相关的协议和标准，

40、内容包括6LowPAN 适配层、报头压缩、分片、邻居发现、应用场景、路由需求等。截止到目前，该工作组完成了两个RFC：RFC4919，6LowPAN：概述、假定、问题描述和目标；RFC4944，基于IEEE802.15.4 网络的IPv6 报文传送。正在制定6LowPAN 包头压缩协议和6LowPAN 邻居发现协议。2008 年成立的IPSO 联盟（IP for Smart Objects Alliance)， 致力于推动IP 技术与智能物体网络的结合。联盟支持IETF 和其他标准组织发展相关IP 标准，推动IP 技术作为智能物体网络的首选接入方案，了解相关产业链和市场发展，组织相关产品和应用

41、的互操作测试，发布白皮书和案例研究。目前，IPSO 联盟拥有推动级会员（拥有投票权)33 家，贡献级会员（不具有投票权)19 家。已发布了5 个相关白皮书，包括IP 技术用于智能物体， 用于智能物体的轻量级IPv6 协议栈， 将IEEE802.15.4 网络与IP 结合的6LowPAN 标准，6LowPAN 邻居发现和智能物件网络的安全。在6LowPAN 产业发展方面，2007 年3 月ArchRock 公司发布的初级IP 无线传感网络解决方案中第一个采用6LowPAN 标准。在2007 年12 月的IETF 大会上，ArchRock 和日立公司演示了他们6LowPAN 实现方案的互操作性，

42、展示了多个无线传感器之间、以及与非传感器IP 设备之间的通信。多家公司加入到支持6LowPAN 协议栈的开发中，ArchRock 公司，Jennic公司相继发布了基于6LowPAN 协议栈的解决方案。2009 年，思科等公司发布的IPv6 协议栈也支持6LowPAN 标准。PhyNet 平台上的6LowPAN 协议栈实现还获得了IPv6Ready 二阶段认证。五、引入策略分析IETF成立了一个6LowPAN工作组并制定出6LowPAN技术标准，为IPv6协议与WSN协议的融合提供了良好的实现机制。根据6LowPAN技术标准的参考模型，结合WSN网络自身特点，进行相关协议技术标准的融合。1)6L

43、owPAN适配层的实现6LowPAN适配层的基本功能，如链路层的分片和重装、报头压缩、组播支持、网络拓扑构建和地址分配等均在该层实现。使其IPv6协议能够更好的在IEEE 802.15.4 MAC层进行有效承载，实现对IPv6核心机制在无线传感器网络上的承载能力。主要包括：IPv6 Over IEEE 802.15.4报头压缩机制；IPv6 Over IEEE 802.15.4数据包分片和重装；IPv6底层核心机制的承载等,实现真正意义上无线传感器网络间和无线传感网网络与Internet网络节点的端到端的互联互通。分片与重组：为了解决IPv6最小MTU为1280字节与IEEE 802.15.4

44、 Payload长度仅有81字节冲突的问题，6LowPAN需要对IPv6报文进行链路层的分片和重组，这也是RFC 2460第五节中所规定的。报头压缩：在使用IEEE802.15.4安全机制时，IP报文只有81字节的空间，而IPv6头部需要40字节，传输层的UDP和TCP头部分别为8和20字节，这就只留给了上层数据33或21字节。如果不对这些报头进行压缩的话，6LowPAN数据传输的效率将是非常低的。IPv6底层核心机制承载。地址自动配置：RFC2462中定义的无状态地址自动配置机制对6LowPAN将是非常有吸引力的。但实现该机制需要6LowPAN提供从IEEE 802.15.4的EUI-64地

45、址获得的接口标识方法。组播支持：IEEE 802.15.4并不支持组播也不提供可靠的广播，6LowPAN需要提供额外的机制以支持IPv6在这方面的需要。2)融合IPv6以后，无线传感器路由协议的改进无线网络使用广播的方法来进行路由，导致网络中冗余信息过多，一条信息容易传播到网络中的所有节点，造成带宽的能量的不必要浪费。在特定应用场景中，根据Ipv6的寻址方式，解决Ipv6无线传感器网络中路由算法研究需要解决最重要的任务有两个：一是减少数据传输的范围，二是减少对能量的浪费。针对第一个目标，主要是使用传感器节点自身的地址信息作为参考，信息传递只瞄准目标所在的大概区域，这样能够有的放矢，有效降低数据

46、扩散范围。针对第二个目标，将在发送频率，数据包大小，编码方式等方面进行研究，如何在保证数据传输的前提下，尽量可能的降低路由对能量的消耗。六、其他补充说明搭建一个运行环境（无线传感器终端节点 + 无线传感器路由节点 + 支持GPRS通道的无线传感器网关 + WEB形式的服务器可视化平台系统，），并组建一个MESH网络，对相关协议的实现进行测试。硬件系统基本构成： 传感器端节点 传感器路由节点网关设备由上图所涉及的硬件设备，所组成的协议测试演示系统的基本构架图如图所示。演示系统架构图系统网络拓扑结构界面：由上图，可以看到，标号为1901到1908的终端节点的数据包是通过标号为1111,2222,3

47、333的路由节点发送到标号为7919的网关。每个颜色的箭头线表示一个数据包的传输路径。如果每个节点都是终端节点，向网关发送数据，则每个终端节点都会存在由此节点始发的箭头线，并用不同的颜色来表示。当双击拓扑路径图界面的节点图片时，在信息界面可以看到如图所示的节点Ipv6地址，拓扑路径和打开包头压缩演示界面等信息。节点地址报头压缩演示界面包括两个ping演示界面，几个命令按钮，并能显示压缩前和压缩后的数据包格式。通过压缩和不压缩命令按钮可以给指定节点发送压缩命令和不压缩命令。当发送压缩命令之后节点传输的是压缩后的Ipv6数据包，反之亦然。报头压缩演示界面首先点击不压缩按钮对相应节点发送不压缩命令，

48、使其传输的是压缩前的完整的IPv6数据包，其数据包格式如上中左边数据包所示。点击ping1按钮来ping该节点，在ping演示1界面中可以看到ping命令的返回结果，当点击停止ping按钮即可停止对此节点的ping操作。在ping演示1界面中的ping命令返回结果中可以看到延时信息。然后点击压缩按钮对同一个节点发送压缩命令，使其发送的是压缩后的Ipv6数据包，如上图中右边数据包所示。点击ping2按钮来重复上述操作。从ping演示2中看到此时ping结果中的延时信息。可以看到，压缩后的延时明显比压缩前的延时小。这充分显示压缩IPv6包头的有效性。从上图中两个黄色区域的数据分别表示压缩前和压缩后的数据包格式，其显示的数据动态更新为