6LoWPAN適配層分片重組的研究與實現(xiàn)＊

馬親民，戴光智

（1.華中師范大學(xué) 物理學(xué)院，武漢 430079；2.華南理工大學(xué)；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

馬親民（博士研究生、講師），研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)通信及網(wǎng)絡(luò)安全；戴光智（副教授），研究方向為計算機應(yīng)用及無損檢測。

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是集成了傳感器、微機電、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)，具有信息感知、采集和處理功能的綜合性智能通信系統(tǒng)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1］。2003年，IEEE標(biāo)準委員會發(fā)布了WSN方面的國際標(biāo)準IEEE 802.15.4正式版，目前已經(jīng)發(fā)展到2006版本。該標(biāo)準定義了WSN的物理層和MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）層，2004年底業(yè)界成立的ZigBee聯(lián)盟正式通過鏈路層以上的協(xié)議規(guī)范，包括網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。目前IEEE 802.15.4標(biāo)準已經(jīng)和ZigBee標(biāo)準已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療保健等低功耗、低速率通信環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，ZigBee技術(shù)知識考慮了WSN內(nèi)部節(jié)點之間的互通，卻無法直接與外界網(wǎng)絡(luò)互連。為了解決IEEE 802.15.4不斷趨于成熟與ZigBee日益顯露出來的固有局限性之間的矛盾，同時考慮到無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Networks，WPAN）的飛速發(fā)展，2004年11月因特網(wǎng)工程任務(wù)小組（Internet Engineering Task Force，IETF）成立6LoWPAN（IPv6over Low－power Wireless Personal Networks）工作組，目標(biāo)就是將IPv6融入到以IEEE 802.15.4作為底層協(xié)議標(biāo)準的WPAN中，物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，從而實現(xiàn)WSN與Internet的無縫連接［2］。由于IPv6協(xié)議的龐大、復(fù)雜與WSN節(jié)點資源受限之間存在巨大差異，6LoWPAN協(xié)議的思想就是在這兩者之間增加一個中間層——適配層（Adaption Layer），來讓IPv6可以適配WSN。

1 6LoWPAN適配層分析

1.1 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)模型

目前實現(xiàn)WSN與IPv6互連的方式有三種：①僅網(wǎng)關(guān)支持IPv6；②僅某些特殊節(jié)點支持IPv6；③所有節(jié)點全部支持IPv6。①和②不能凸顯IPv6的特性和優(yōu)勢，反而需要進行額外的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作，③中每個節(jié)點都有一個全球唯一的IPv6地址，可以實現(xiàn)WSN與IPv6的無縫連接，6LoWPAN適配層加在IPv6與IEEE 802.15.4的 MAC層之間，發(fā)揮著承上啟下的重要作用。與ZigBee相對比的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示［3］。

圖1 IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN之間的關(guān)系

IETF 6LoWPAN適配層主要的功能包括：地址配置、報文的分片和重組、IPv6報頭壓縮、路由、網(wǎng)絡(luò)管理等。本文主要分析和研究報文的分片和重組功能［3］。根據(jù)RFC2460協(xié)議規(guī)定，IPv6以下的鏈路層的最大傳輸單元MTU（Maximum Transmission Unit）最小應(yīng)該是1 280字節(jié)［5］。因此作為鏈路層的6LoPAN就要能夠接收1 280字節(jié)的數(shù)據(jù)包，并將其分成127字節(jié)以內(nèi)的IEEE 802.15.4能夠接收的MAC層的數(shù)據(jù)幀。

1.2 IPv6報文格式

根據(jù)RFC2460協(xié)議規(guī)定IPv6數(shù)據(jù)包（packet）由基本頭部、0個或數(shù)個擴展頭部以及可變長的有效載荷三部分組成，其中基礎(chǔ)頭部包含了源和目的的128位IPv6地址，因此其長度規(guī)定稍長為40字節(jié)。而擴展頭部在原本就緊張的資源的WSN網(wǎng)絡(luò)中，通常不會用到。IPv6數(shù)據(jù)包及其基本頭部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IPv6數(shù)據(jù)包及其基本頭部結(jié)構(gòu)

1.3 IEEE 802.15.4MAC層的數(shù)據(jù)幀格式

IEEE 802.15.4MAC層的數(shù)據(jù)幀由三部分組成［6］：

◆MHR即MAC Header，包含有幀控制信息、地址信息以及安全信息等；

◆MAC Payload即MAC有效負載，是該層的SDU，存放6LoWPAN以及ZigBee數(shù)據(jù)；

◆MFR即MAC尾部，為整個數(shù)據(jù)幀的校驗和。

IEEE 802.15.4MAC層幀格式如圖3所示。假設(shè)沒有使用安全頭，那么其中MAC頭部最大占用23字節(jié)，如果地址域中的源和目的PAN ID啟用、源和目的地址全部使用長地址，加上幀校驗固定使用的2字節(jié)，MAC幀中的控制部分最長將是25字節(jié)。當(dāng)然，如果不啟動PAN ID，全部使用短地址，控制信息就可以減小，可以容納更大的上層數(shù)據(jù)包。因此，當(dāng)該層不適用任何安全機制的情況下，允許最大的負載長度為127－25＝102字節(jié)［3］。

圖3 IEEE 802.15.4MAC層幀格式

如果MAC啟動安全機制，又會增加控制信息的字節(jié)數(shù)，它們所增加的開銷如表1所列。

表1 IEEE 802.15.4MAC層安全級別及其開銷

按照最高安全級別即AES－CCM－128計算，那么剩下的載荷空間將只有127－25－21＝81字節(jié)。而對于IPv6協(xié)議而言，最小的數(shù)據(jù)包都是1 280字節(jié)，因此必須要將IPv6數(shù)據(jù)報進行分片和重組，這就是6LoWPAN的中心工作之一［8］。

2 6LoWPAN適配層數(shù)據(jù)報的分片

如果整個的IPv6數(shù)據(jù)報可以全部填充到一個IEEE 802.15.4的幀里面去，就無需分片處理。如果IPv6的數(shù)據(jù)報超過了，就需要進行分片處理。6LoWPAN的分片幀有兩種起始片幀（First Fragment）、后續(xù)片幀（Subsequent Fragments）兩種（注：沒有結(jié)尾片幀），除了最后一個分片幀外，其余分片幀的封裝數(shù)據(jù)都應(yīng)該是8位的整數(shù)倍。其中起始片幀頭以5位二進制組合11000開頭，隨后依次是datagram＿size字段、datagram＿tag字段，如下所示。

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后續(xù)片幀頭以5位二進制組合11100開頭，隨后依次是datagram＿size字段、datagram＿tag字段和datagram＿offset字段，包括最后一個分片也是如此結(jié)構(gòu)，如下所示：

?

其中固定的二進制組合11000是固定格式搭配，表示是經(jīng)過分片的數(shù)據(jù)幀。

datagram＿size（數(shù)據(jù)報長度）：一個11比特的組合，表示在分片之前的IPv6數(shù)據(jù)報的原始長度，該原始數(shù)據(jù)報經(jīng)過6LoWPAN分片之后的所有分片幀的該字段值全部相等。該字段可以看出，它能允許的上層IPv6數(shù)據(jù)報的最大長度為211＝2 048字節(jié)，符合IPv6對鏈路層最小MTU 1 280字節(jié)的規(guī)定。很顯然，只要起始分片包含了datagram＿size就夠了，后續(xù)分片可以將其省略從而減少開銷。但是，在每個分片中包含datagram＿size帶來一個好處：方便接收端完成分片的重組工作。因為在接收端，不排除有后續(xù)分片早與起始分片到達的可能，這時接收方很容易提前知道要重組的原始IPv6數(shù)據(jù)報有多大，從而準備好緩沖區(qū)。這個格式的安排以較少的開銷換取處理效率的提高，也在一定程度上防止了基于IPv4的分組重組攻擊［9］。

datagram＿tag（數(shù)據(jù)報標(biāo)記）：用來標(biāo)識一個被拆分的IPv6數(shù)據(jù)報，所以同一個數(shù)據(jù)報的所有分片的該字段的值全部相等。該字段16位長，可以標(biāo)識216個數(shù)據(jù)報，其初始值可以根據(jù)需要自己定義。發(fā)送端在每發(fā)送一個完整的IPv6數(shù)據(jù)報之后，將其自加1，達到65535之后，又重新折返回0，依次循環(huán)。以IEEE 802.15.4標(biāo)準規(guī)定的LR－WPAN網(wǎng)絡(luò)最快的速率是250kbps計算，65 535×1 280／250＝335s，也就是說要出現(xiàn)重復(fù)標(biāo)記的，需要5min多的時間［10］。

datagram＿offset（數(shù)據(jù)報偏移）：該字段僅在后續(xù)分片中出現(xiàn)，是一個8字節(jié)長度的自增1的數(shù)據(jù)，用來標(biāo)識該分片在重組時的排列序號。

3 6LoWPAN適配層數(shù)據(jù)報的重組

作為接收端的對應(yīng)6LoWPAN適配層，收到了分片之后的數(shù)據(jù)幀，進行數(shù)據(jù)包重組的步驟依次如下［8－9］：

① 根據(jù)片頭2位的組合判斷是否是分片數(shù)據(jù)幀。如果是11，說明是，繼續(xù)執(zhí)行b；否則進行別的相應(yīng)處理，本文暫不涉及。

②根據(jù)MAC源地址以及分片幀頭部的datagram＿tag字段的8字節(jié)內(nèi)容去查找緩存空間，判斷是否是首次接收到該IPv6數(shù)據(jù)報的分片幀。如果是，將datagram＿tag的值進行緩存，建立一個單鏈表并講其基本信息填入鏈表表頭，以便接收該IPv6數(shù)據(jù)報的其他分片；否則直接往下執(zhí)行。

③根據(jù)幀頭部5位的組合來判斷是否為起始分片。如果是，將新生成的節(jié)點接入單鏈表；否則根據(jù)datagram＿offset字段判斷該分片的相對位置，并據(jù)此將新的節(jié)點插入到單鏈表中。

④判斷同一個原始IPv6數(shù)據(jù)包的所有分片是否全部接收完畢。如果是，就對鏈表進行處理，提取出數(shù)據(jù)信息首尾相連組成原始IPv6數(shù)據(jù)包，然后將該數(shù)據(jù)包送上層處理，并釋放緩沖區(qū)，接著開始接收后面的分片；如果沒有接收完畢，就跳到最開始等待新的分片幀的到來。

整個處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)包重組程序處理流程

4 測試結(jié)論

本文在PC機上 Windows 7 Professional環(huán)境下，用Visual C＋＋模擬實現(xiàn)上述的IPv6數(shù)據(jù)包的分片和重組過程。測試用例是嚴格按照IPv6的基本頭部結(jié)構(gòu)和UDP的頭部結(jié)構(gòu)封裝成長度不同的16個IPv6原始數(shù)據(jù)包，其中長度最長的是1 280字節(jié)（因為按照IPv6運行于IEEE 802.15.4的規(guī)定，其 MTU為1 280字節(jié)）。程序模擬結(jié)果中，這些IPv6原始數(shù)據(jù)都分解成為由2～13（1 280／102＝12.54）個分片進行發(fā)送，接收端收到數(shù)據(jù)之后對其進行緩沖、排隊、數(shù)據(jù)提取、重裝成原始的IPv6數(shù)據(jù)包。結(jié)果截圖如圖5所示。

圖5 計算機模擬6LoWPAN分片重組

實驗結(jié)果表明，在6LoWPAN適配層的作用下，以IEEE 802.15.4作為底層協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以支持IPv6協(xié)議，從而實現(xiàn)全IP式的WSN，為傳感器網(wǎng)絡(luò)開辟了嶄新的廣闊的應(yīng)用市場。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］向浩，李堃，袁家斌.基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（1）：56－60.

［3］ZigBee Alliance.Understanding ZigBee gateway，2010.

［4］Montenegro G，Kushalnagar，Hui J，etal.Transmission of IPv6Packets over IEEE 802.15.4Networks［S］.RFC4944，Sep.2007.

［5］Deering S，Hinden R.Internet Protocol Version6（IPv6）Specification［S］.RFC2460，December 1998.

［6］IEEE Std 802.15.4－2006，Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）［S］.IEEE Computer Society，2006.

［7］N Kushalnagar，G Montenegro，C Schumacher.IETF RFC 4919，IPv6over Low－Power Wireless Personal Area Networks （6LoWPANs）：Overview，Assumptions，Problem Statement，and Goals［S］，2007.

［8］IETF 6LoWPAN Group［OL］.［2013－10］.http：／／datatracker.ietf.org／wg／61owpan／.

［9］李鳳國.基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與實現(xiàn)［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2013.

［10］李海.6LoWPAN適配層研究與實現(xiàn)［D］.上海：華東師范大學(xué)，2007.