6LoWPAN在物联网中的应用仿真

摘要：提出了一种基于6LoWPAN的物联网总体方案，同时对协议中的Mesh字段进行了改进，然后在网络模拟环境下对本协议平均传输成功率、平均延迟时间的性能进行了比较分析，并在仿真环境中进行了实验验证工作。实验数据表明，改进后的协议具有更好的性能。
关键词：物联网；Mesh；网关；协议

0 引言
物联网是一个基于互联网、传统电信网络等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通，从而提供智能服务的网络系统。国家“十二五”规划明确提出，物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、金融与服务业、国防军事等十大领域重点部署。根据物联网低功耗、低成本等特点的要求，IEEE802．15．4是当前最适合的底层技术，但IEEE802．15．4标准只定义了其中的两层，即物理层(PHY)和MAC子层。位于这两层以上的层在IEEE802．15．4中并没有定义，为此，本文根据IEEE802．15．4的特点，给出了ZigBee和6LoWPAN在其IEEE802．15．4标准上层应用规范中的两种最典型的实现形式。

1 总体设计
图1所示是基于IEEE802．15．4的网络层协议示意图。

本文主要研究的是基于6LoWPAN的物联网。实际上，物联网可能有很多个节点，并且可能通过Internet与其它节点互联。为了能够与其它IP设备互操作，物联网网关需要使用IP协议作为网络层协议，物联网内部节点问可以使用其它协议，但为了方便与网关连接，合理的方法应该是采用IP协议。6LoWPAN的目标就是在IEEE802．15．4 MAC层上构建IPv6协议栈，使物联网能够平滑地连接到IPv6 Internet。
为了实现与IPv6 Internet的互联，本文给出了如图2所示的总体设计。该协议中间采用的是双协议栈网关，其中一边是IPv6网络，一边是由物联网感知节点组成的网络，然后通过网关实现两种网络的相互通信。

但这种设计仍然存在以下问题：第一是IPv6包头很大，而IEEE802．15．4 MAC净荷仅有127 B，所以需要对IPv6包头进行压缩以便腾出位置；第二是IPv6数据包支持的最小字节数(1280B)远大于IEEE802.15.4帧所能包含的字节数(127B)，因此，必须拆包才能装进IEEE802．15．4帧中；第三，因IPv6地址数量为海量，故将导致路由表太长，如果在IP层选路，则选路时间太长，难以接受。为此，本文在6LoWPAN体系结构中引入了一个适配层，并在该层完成数据分片与数据重组、压缩和选路等功能。图3所示是其压缩与分片示意图。
1．1 包头压缩的设计
虽然IEEE802．15．4帧保留了81 B的空间来供IPv6使用，但是仅IPv6报头就占了40B，而如果使用UDP报文的话，UDP报头还要占用8B，剩余空间就更加有限。因此，必须使用报头压缩技术来提高报文的净荷传输率。
6LoWPAN报头压缩的基本思想首先是使报头中所有在连接过程中保持不变的域都可以完全压缩掉；第二是使报头中变化的、可以预先知道的域也可以压缩掉；第三，使得报头中由链路层可获知的信息域也可以压缩掉；第四，使报头中有些域的存在是有条件的或是可选的，这样，对于特定应用就可以去掉。
其具体的压缩见表1所列。