網(wǎng)絡的發(fā)展不斷微型化，這也就是嵌入式所具備的特點。那么網(wǎng)絡之中我們已經(jīng)開始使用IPv6協(xié)議了。那么嵌入式IPv6協(xié)議棧的設計和要求也在這時候被廣大研究者所關注。下面我們就來談及一下這方面的內容，為大家做一個參考。

IPv6 over IEE 802 15.4的技術特點

IEEE 802.15.4是2004年提出的無線標準的安全網(wǎng)絡技術,主要定義物理層和MAC層的協(xié)議,其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準,主要應用場合是讀表自動化､自動化控制和傳惑器網(wǎng)絡｡IEE802.15.4針對的就是低復雜度､低功耗､低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡,目標是將普通小型電池的使用壽命延長到幾年｡當芯片批量生產(chǎn)時,每個802.15.4設備的銷售價格最終不到3美元,將很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡的要求｡IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準,即2.4GHz物理層和868/9l5MHz物理層｡

這兩個物理層都基于直接序列擴額DSSS(Direct SequenceSpread Spectrum),使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式;區(qū)別在于工作頻率､調制技術､擴頻碼片長度和傳輸速率｡2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一､無須申請的ISM頻段.有助于15.4設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低｡2.4GHz的物理屢通過采用高階調制技術能夠提供250kb/s的傳輸遵率,有助于獲得更高的吞吐量､更短的通信時延和工作周期,從而更加省電｡868 MHz是歐洲的ISM頻段,915MHz是美國的ISM頻段,這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾｡868MHz的傳輸速率為20kb/s,915 MHz是40 kb/s｡

由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較低,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的隈域,這些特點使其非常符臺傳感器網(wǎng)絡的應用要求｡如前所述,IEEE802.15.4只規(guī)定了物理層和MAC層,并且其市場目標主要是無竣傳感器網(wǎng)絡,所以在選擇網(wǎng)絡層標準時,考慮到無線傳感器網(wǎng)絡對地址和安全性等方面的要求,以及下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1Pv6的不斷發(fā)展和完善,在嵌入式設備中引入IPv6協(xié)議也將成為一種必然趨勢｡因此,6LowPan組織建議采取嵌入式IPv6協(xié)議棧,在設計時要充分考慮資源受限與功能相對完善之間的折中｡

嵌入式IPv6協(xié)議棧的設計思想

由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般都是嵌入式設備,所以嵌入式IPv6協(xié)議棧的設計主要應突出“微型化"的思想｡TCP/TP協(xié)議***是在Uuix系統(tǒng)里實現(xiàn)的,由于嵌入式系統(tǒng)與PC機的差別很大,在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與在操作系統(tǒng)巾的實現(xiàn)有很大不同,所以這是設計的核心環(huán)節(jié)｡嵌入式系統(tǒng)的IPv6微型協(xié)議棧,直接面對硬件,沒有一個多任務操作系統(tǒng)平臺;MCU中的程序結構一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式,與高級操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同｡因為單片機上系統(tǒng)的各種資源是有限的,例如CPU的處理速度､字長,RAM､ROM存儲器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計算機相比有很大差距,所以如何使協(xié)議棧做到精細､通信可靠､功能相對完善,而且又能發(fā)揮單片機的特點成為IPv6微型協(xié)議棧設計的關鍵問題｡“微型化"思想主要體現(xiàn)在設計方案核心應著眼于設計體積小,但又不影響運行的協(xié)議棧,所以要對協(xié)議棧的裁剪方面進行深入研究,去掉不必要的組件､傳統(tǒng)的復雜調度機制和額外的擴展功能,甚至可以去除操作系統(tǒng)等｡

綜合研究以上多方面因素,提出了能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧的設計要求｡

①協(xié)議棧運行于單片機系統(tǒng)上,具有較強的兼容性｡可以在以太網(wǎng)上正確運行,同時在此基礎上可以借助IEEE802.15.4 MAC的無線數(shù)據(jù)傳輸功能來傳送數(shù)據(jù)包｡

②實現(xiàn)IPv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能､包括IPv6基本描述協(xié)議､ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議､ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議和IPv6地址的自動配置協(xié)議等｡

◆IPv6基本描述協(xié)議:IPv6數(shù)據(jù)包的發(fā)送､接收､處理等基本功能｡

◆ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議:鄰居發(fā)現(xiàn)的地址解析功能,實現(xiàn)鄰居請求和鄰居通告｡

◆ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議:主要實現(xiàn)控制報文的消息處理,以及對網(wǎng)絡診斷功能的回應請求和回應答復｡

◆IPv6地址自動配置協(xié)議:根據(jù)IPv6地址格式的要求,主要實現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請求節(jié)點多播地址的配置｡

③利用對校驗和字段的汁算與處理來提高ICMPv6､TCP等協(xié)議運行的正確性｡#p#

④實現(xiàn)簡單的應用層協(xié)議(如TELNET/SNMP協(xié)議),利用遠程終端可以登錄到運行嵌入式IPv6協(xié)議棧的單片機系統(tǒng),以及進行簡單的控制和管理操作｡

嵌入式IPv6協(xié)議棧的分層與模塊化設計

嵌入式IPv6協(xié)議棧采用分層結構進行沒計,將整個協(xié)議棧(包括TCP及上層應用)分為4個層次:事件觸發(fā)接口層､TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議層､NIC網(wǎng)絡接口核心層和網(wǎng)絡設備驅動接口層｡在協(xié)議棧的工作過程中使用上層調用相鄰層的函數(shù)來實現(xiàn)相應的功能｡

各層的功能簡述如下:

①事件觸發(fā)接口層｡該層對應于TCP/IP模型的應用層協(xié)議(OSI模型的高層協(xié)議),主要功能是定義網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡的應用｡

②TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議層｡該層對應于TCP/IP模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡層協(xié)議(OSI模型的3､4兩層),主要功能是定義數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?#65377;使用TCP協(xié)議在兩臺主機之間建立端到端的連接,保證可靠的傳輸;IP協(xié)議進行路由選擇和基于IP的尋址｡

③NIC網(wǎng)絡接口核心層｡該層是整個網(wǎng)絡接口的關鍵部位,其上層是具體的網(wǎng)絡協(xié)議,下層是驅動程序｡它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口,屏蔽各種各樣的物理介質;同時負責把來自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送｡

④網(wǎng)絡設備驅動接口層｡該層是分層結構的***層,其主要功能是控制具體物理介質,從物理介質接收和發(fā)送數(shù)據(jù),并對物理介質進行諸如***數(shù)據(jù)包之類的各種設置｡

結合對嵌入式IPv6協(xié)議棧設計要求和分層結構的全面分析,將設計實現(xiàn)劃分為4個模塊｡

各模塊的功能簡述如下:

①網(wǎng)絡接口核心模塊｡該模塊為網(wǎng)絡協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口,屏蔽各種各樣的物理介質;同時負責把來自下層的包向合適的協(xié)議配送｡

②事件接口模塊｡嵌入式IPv6協(xié)議棧沒有采用BSD套接口,而是采用了事件驅動接口｡當特定TCP/IP事件發(fā)生時,將調用應用程序;而當應用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時,也通過此接口發(fā)送出去｡

③SNMP網(wǎng)管模塊｡該模塊負責獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的相關MIB信息｡

④配置最示調試命令模塊｡該模塊用于提供用戶配置和調試的界面,包括配置IP地址､子網(wǎng)掩碼､默認網(wǎng)關和MAC地址等｡在程序正常運行前,由超級終端進入配置模式,由用戶進行配置管理｡