基于IPv6的智能物件网络研究和测试

摘要

随着引入TCP/IP架构的智能物件网络应用领域不断拓展，数量巨大的传感器节点需要接入国际上最大的主干网络Internet，使得地址空间逐渐耗尽的IPv4协议难以满足智能物件网络的需求。而IPv6协议拥有128位巨大地址空间、内建的安全机制、移动性、即插即用等优势。基于IPv6的智能物件网络接口层遵循IEEE802.15.4标准。IPv6要求链路支持最小为1280字节的MTU（最大传输单元），而IEEE802.15.4链路的MTU只有127字节，所以必须在IP层下面定义一个适配层，实现IEEE802.15.4和IPv6之间的平滑衔接。本文主要研究了基于IPv6智能物件网络的适配层技术及路由设计，主要工作如下:
　　 (1)适配层的分片与重组。由于IEEE802.15.4链路的MTU与IPv6链路层的MTU不匹配，需要适配层的分片与重组机制在源节点对IPv6网络层数据报文进行分片、在数据报文目的节点的处重组IPv6网络层数据报文。
　　 (2)网络层报头压缩。由于IPv6网络层固定报头占40个字节而IEEE802.15.4的链路MTU只有127字节，所以选择有效的网络层报头压缩方法不仅可以提高网络的吞吐量，而且可以降低节点能耗。对现有的网络层报头压缩方法LOWPAN_HC1进行分析，针对其不能对全局链路单播地址和全局链路多播地址压缩，提出了一种新的网络层报头压缩方法LOWPAN_IPHC，并将这两种报头压缩方法进行比较。
　　 (3)路由设计。基于IPv6的智能物件低功耗有损网络的MAC层和物理层遵循IEEE802.15.4规范。现有的路由协议未曾考虑路由节点的资源受约束性、链路的有损性，不能直接应用到基于IPv6的智能物件低功耗有损网络中，针对这一现状，ROLL任务组提出了一种基于IPv6的低功耗有损网络路由协议-RPL的总体框架，我们使用基于Contiki操作系统内的Cooja网络仿真平台对这一路由协议的收敛速率、信令开销、能效及服务质量等进行模拟仿真分析。文章的最后安排了两个基于Contiki的智能物件网络功能测试实验。第一个是基于UDP套接字的点对点试验，用于测试适配层的分片重组及新的网络层报头压缩方法LOWPAN_IPHC;第二个是结合Contiki内集成的可视化软件Collect-View完成由六个节点组成的UDP数据收集试验，用于测试RPL协议的相关性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．3 研究内容

1．4 论文结构与安排

第二章 相关的协议标准与技术

2．1 IEEE802．15．4协议

2．1．1 IEEE802．15．4标准介绍

2．1．2 低功耗链路通信技术

2．2 智能物件网络的通信模式

2．3 适合智能物件网络的IPv6机制

2．3．1 IPv6固定报头格式

2．3．2 扩展报头

2．3．3 IPv6寻址机制

2．3．4 ICMPv6协议

2．3．5 邻居发现协议

2．3．6 IPv6自动配置

2．4 本章小结

第三章 数据报文分片重组与报头压缩

3．1 网络层数据报文分片与重组

3．1．1 报文分片

3．1．2 报文重组

3．2 网络层报头压缩方法

3．2．1 LOWPAN_HC1报头压缩

3．2．2 新的报头压缩方法LOWPAN_IPHC

3．2．3 两类报头压缩方法比较

3．3 传输层报头压缩方法

3．3．1 传输层报头

3．3．2 LOWPAN_HC2报头压缩

3．4 本章小结

第四章 低功耗有损路由协议及仿真分析

4．1 低功耗有损网络-LLN

4．2 LLN路由需求及现有路由协议

4．2．1 LLN的路由需求

4．2．2 现有的路由协议

4．3 低功耗有损网络路由协议-RPL

4．3．1 RPL的ICMPv6信息包

4．3．2 有向无环图创建过程

4．3．3 路由生成及管理方法

4．3．4 路由回路避免及检测机制

4．4 RPL仿真分析

4．4．1 仿真环境与测试

4．4．2 模拟结果与性能分析

4．5 本章小结

第五章 基于Contiki的IPv6智能物件网络功能测试

5．1 IPv6智能物件网络边界路由器

5．2 搭建软硬件平台

5．2．1 智能物件硬件平台

5．2．2 智能物件操作系统-Contiki

5．2．3 Contiki移植及应用程序开发下载

5．3 功能测试

5．3．1 报文分片重组及报头压缩功能测试

5．3．2 LLN路由协议RPL功能测试

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文总结

6．2 下一步工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果