基于IEEE 802.15.4无线传感器网络的IPv6协议栈

2 嵌入式IPv6协议栈的设计

2.1 嵌入式IPv6协议栈的设计思想

由于无线传感器网络节点一般都是嵌入式设备，所以嵌入式IPv6协议栈的设计主要应突出“微型化”的思想，TCP/IP协议最先在Uuix系统里实现的，由于嵌入式系统与PC机的差别很大，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议与在操作系统中的实现有很大不同，所以这是设计的核心环节。嵌入式系统的IPv6微型协议栈，直接面对硬件，没有一个多任操作系统平台，MCU中的程序结构一般是顺序执行和硬件中断相匹配的方式，与高级操作系统中多线程并发执行的方式截然不同，因为单片机上系统的各种资源是有限的，例如CPU的处理速度、字长、RAM、ROM存储器的容量以及接口的数量等与通用计算机相比有很大差距，所以如何使协议栈做到精细、通信可靠、功能相对完善，而且又能发挥单片机的特点成为IPv6微型协议栈设计的关键问题。“微型化”思想主要体现在设计方案核心应着眼于设计体积小，但又不影响运行的协议栈，所以要对协议栈的剪切方面进行深入研究，去掉不必要的组件，传统的复杂调度机制和额外的扩展功能，甚至可去除操作系统等。

综合研究以上多方面因素，提出了能够适用于无线传感器网络的嵌入式IPv6微型协议栈的设计要求。

1）协议栈运行于单片机系统上，具有较强的兼容性，可以在以太网上正确运行，同时在此基础上可以借助IEEE 802.15.4 MAC的无线数据传输功能来传送数据包。

2）实现IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能，包括IPv6基本描述协议，ND（邻居发现）协议、ICMPv6（因特网控制报文）协议和IPv6地址的自动配置协议等。

◆ IPv6基本描述协议；IPv6数据包的发送、接收、处理等基本功能。

◆ ND（邻居发现）协议：邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。

◆ ICMPv6（因特网控制报文）协议：主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。

◆ IPv6地址自动配置协议：根据IPv6地址格式的要求，主要实现IPv6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置。

3）利用对校验和字段的计算与处理来提高ICMPv6，TCP等协议运行的正确性。

4）实现简单的应用层协议（如TELNET/SNMP协议），利用远程终端可以登陆到运行嵌入式IPv6协议栈的单片机系统，以及进行简单的控制和管理操作。

2.2 嵌入式IPv6协议栈的分层与模块化设计

嵌入式IPv6协议栈采用分层结构进行设计，将整个协议栈（包括TCP及上层应用）分为4个层次，事件触发接口层、TCP/IP网络协议层、NIC网络接口核心层和网络设备驱动接口层。

图3是对整个协议栈的分层描述，在协议栈的工作过程中使用上层调用相邻层的函数来实现相应的功能。



各层的功能简述如下：

1）事件触发接口层。该层对应于TCP/IP模型的应用层协议（OSI模型的高层协议），主要功能是定义网络数据的格式以及网络的应用。

2）TCP/IP网络协议层。该层对应于TCP/IP模型的传输层协议和网络层协议（OSI模型的3.4两层），主要功能是定义数据如何传输到目的地的，使用TCP协议在两台主机之间建立端到端的连接，保证可靠的传输，IP协议进行路由选择和基于IP的寻址。

3）NIC网络接口核心层。该层是整个网络接口的关键部位，其上层是具体的网络协议，下层是驱动程序，它为上层提供统一的发送接口，屏蔽各式各样的物理介质，同时负责把来自下层的包向合适的协议发送。

4）网络设备驱动接口层，该层是分层结构的最底层，其主要功能是控制具体物理介质，从物理介质接收和发送数据，并对物理介质进行诸如最大数据包之类的各种设置。

结合对嵌入式IPv6协议栈设计要求和分层结构的全面分析，将设计实现划分为4个模块，如图4所示。



各模块的功能简述如下：

1）网络接口核心模块，该模块为网络协议提供统一的发送接口，屏蔽各式各样的物理介质，同时负责把来自下层的包向合适的协议配送。

2）事件接口模块，嵌入式IPv6协议栈没有采用BSD套接口，而是采用了事件驱动接口，当特定TCP/IP事件发生时，将调用应用程序，而当应用程序产生输出数据时，也通过此接口发送出去。

3）SNMP网管模块。该模块负责获取IPv6无线传感器网络节点的相关MIB信息。

4）配置显示调试命令模块，该模块用于提供用户配置和调试的界面。包括配置IP地址、子网掩码、默认网关和MAC地址等，在程序正常运行前，由超级终端进入配置模式，由用户进行配置管理。

本文在分析了无线传感器网络和IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点之后，重点提出了一种能够适用于无线传感器网络，且底层采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案，最后，还总结了基于IPv6 over IEEE 802.15.4无线传感器网络协议栈设计的核心原则。

基于IPv6 over IEEE 802.15.4的无线传感器网络是一门新兴的网络技术，人们对它的研究尚处于起步阶段，本文针对基于IPv6 over IEEE 802.15.4无线传感器网络自身特点，对其关键技术嵌入式IPv6协议栈进行了分析，笔者认为，现有的IPv6协议栈虽然在功能、性能等方面具有很大优势，但由于代码体积较大（几MB-几百MB），而无线传感器网络节点的存储资源只有不到200MB，因而无法运行在计算能力和存储资源受限的无线传感器网络节点中。所以在设计适合传感器节点的嵌入式IPv6协议栈时，应充分分析和研究无线传感器网络对IPv6提出的新要求，考虑在性能和资源之间寻找一个折中的方案。充分运用协议工程学理论和软件工程的方法，设计一种合理、高效的嵌入式IPv6微型协议栈，这对推动无线传感器网络和IPv6的发展，以及改变人们的生活和工作方式，具有十分重要的意义。