无线传感器网络路由协议分析以及在6LoWPAN的应用

周虹

摘  要：最近几年，国家将“互联网+”定为国家发展战略的一个重要项目，制定很多的扶持政策。在《2018年政府工作报告》《2016—2017年中国物联网年度报告》等重要文件中都提到了很多的科技热点，其中就有很多应用领域中提到“互联网+”和网络信息惠民等其他智慧城市领域的关键技术。作为“互联网+”重要的技术基础，物联网无线传感器网络技术也必须满足发展所需。在无线传感网络中，6LoWPAN网络作用十分显著，可以解决无线网络中很多的问题。6LoWPAN网络可以支持IPv6协议，而且可以解决IP地址空间小的缺陷，还能和现有的网络实现互相联通。

关键词：无线传感器  路由协议  6LoWPAN

中图分类号：TN929.5;TP212.9   文献标识码：A             文章编号：1672-3791（2019）05（c）-0013-03

经过多年的发展，现在无线传感网络已经能夠真正应用于实践中，而且已经被使用在很多的领域，在军事和环境监测方面担任着非常重要的角色，同时还在天文领域、预报洪水、监测森林火灾等诸多领域得到应用。

IPv6可以为无线传感网络提供多方面的支持，而且该网络也可以促进IPv6的应用，在未来的发展中它们会实现更多功能的互联和融合。随着通信的发展以及“互联网+”等领域的发展，互联也是二者必然发展的趋势。

6LoWPAN网络是一种依据IPv6标准的技术，具有很多的优点。首先是无线低功耗，其消耗能量少;其次就是可以自组织网络，其对于物联网感知层、无线传感网络非常的重要，能够提供关键技术支持。

1  国内外研究现状

在2008年，“智慧地球”[1]由IBM第一次提出，其主要的含义就是对社会和物理世界的有效融合的实现过程。紧接着，欧盟提出发展物联网的方案[2]。次年，我国在十一届全国人大三次会议中也相继提出加速对物联网的研究，并且在政策上给予相关的项目很大的支持力度[3]。在过去的2004年时，IEEE组建6LoWPAN网络工作组[4]，主要的任务就是引入以IEEE802.15.4作为底层标准的无线局域网。主要的研究内容是为适配层、报头压缩、网络接入、路由等其他的技术[5]。

6LoWPAN在发展的过程中获得很多团体的赞同，例如，在2008年IP智能物件联盟的建立，该组织主要通过将IP协议当成网络互联传输标准。再如，在2009年国家自动化学会中制定的新工业标准，在这些组织中则将6LoWPAN视作网络层协议，而且此标准也得到当前国际组织的认可，使之成为继Zig Bee、WirelessHART、WIA-PA之后的又一个新的国际标准[6]。

学术界和产业界也关注到6LoWPAN技术的应用，例如，在美国的加州大学伯克利分校、瑞典计算机科学院，还有思科Cisco等很多的企业，都相继研制出对应的产品[7]。6LoWPAN技术在很多的开源软件中都得到广泛应用，其中最具代表的为Contiki、Tinyos，通过6LoWPAN均实现对其完整的协议栈。在测试和应用方面也得到广泛关注。

6LoWPAN协议栈的结构图在图1中进行了展示。由上至下，各层分别为应用、传输、网络、6LoWPAN、MAC以及IEEE802.15.4。其中的应用层主要是提供服务，满足各种的需要，使用的是目前最为流行的Socket接口。利用Core/COAP协议，在传输层协议中有着轻量级的TCP和UDP这两种协议，其中前者使用频率较多。在网络层采用的是IPv6协议。RPL路由协议主要用于路由的建立和维护。6LoWPAN适配层可以对IPv6的数据报采取压缩、数据报分片以及重组，实现在IEEE802.15.4层上的有效传输。MAC包含CSMA/CA和低功耗MAC，它们的帧格式满足IEEE802.15.4MAC的要求。

2  无线传感器网络中几种重要的路由协议分析

2.1 Flooding协议和Gossiping协议

Flooding协议是最传统、最普遍使用的路由协议，用来传接无线网。它的工作原理是将该点所检测或转送的信号传送到其他的感应点，其余感应点都能够锁定信号发出的位置，如果信息不是传递给此节点，那么就转送给其余感应点。因此信息会在多个感应节点转送，最终将会被转送到属于自己的数据节点，这个过程即可完成。Flooding协议虽然工作原理很简单，是一个使用较为广泛的路由协议，不过它也有不足之处。因为它的信息是要传射给每一个感应点，这些感应点都会将信息转送。因此这个节点会收到多个同一数据，这样一收到就转送，忽略该点所具有能力和作用。Gossiping协议就是对前一种协议做出的改善，一个节点的信息会任意转发给某个或某几个点，这样就不会有堵塞，但在效率上也有所延时。

2.2 SPIN协议

它是一种数据路由协议。为了给接收信息的节点一个转送指导，会先转送有ADV的报文。一个节点为另一个转送的信号中就有ADV报文。如果信息是另一个节点收取，它就会向节点转送回带有REQ信息的报文。节点接收到之后，就会把完整的数据发送给另一个节点。这一协议具有通过ADV报文，防止信息堵塞，还可为接收信息的节点利用自身功能选择是否进行通告的优点。SPIN协议相比于前两种来说节约节点能量。但是如果接受信息的点是较远的点，相近的点不转发它就不能实现对信息的接收功能。当Sink（汇聚）节点很少的情形下，问题就会更明显。并且因为网络系统多乱复杂，若大量ADV报文被转发，占用的空间会更大。

2.3 Directed Diffusion协议

这一协议是数据型的、用查询来驱动的路由。Sink节点会向附近的广播询问新信息所带的属性列表、发送时间差、位置等请求Interest。每一个接收点都会接受最适合自己的Interest报文，并对报文进行整理融合。还能根据报文对它的梯度值进行计算，比如说关于数据的性质、下一跳等。如此一来通往Sink节点的路就不止一条。此节点还能够调整信息的上报率。协议的路由有多条路，所以传播系统发达;节点能够综合的处理数据，所以大幅度地减少了网络中的数据包个数。因此这种查询驱动式的路由不会存储过多信息，也减轻开支。