一种基于IPv6的无线传感器网络边界路由器设计

2.2.3 适配层报头压缩机制

标准IPv6网络层报文和UDP 报文的报头分别有40 B 和8 B，由此带来的数据传输报头开销极大，因此本文适配层对IP报文和UDP报文的包头格式进行了压缩处理。由于TCP报文并不适合无线传感器网络这种多跳、数据传输延迟较大的网络[11]，故本文暂不考虑TCP报文。根据无线传感器网络的上下文信息，IPv6版本号和负载长度可以省略，通信流类型、流标签、下一包头、跳数限制以及源地址和目的地址设置压缩控制域进行部分压缩。IPv6网络层报文头部压缩格式如图7所示。

011xxxxx为调度编码位域，其中最右端5位用于报头压缩编码。各编码字段定义如下：

TF:2 b，通信流类型和流标签。其中通信流类型由查分服务代码点DSCP 和显示拥塞反馈ECN，当TF=11时，通信流类型和流标签全都省略;当TF=00时，通信流类型和流标签都不压缩;当TF=01 时，DSCP 省略;当TF=10时，流标签省略。

NH:1 b，下一包头。NH=0，表示下一包头未压缩;NH=1时，下一包头已压缩。

HLIM:2 b，跳数限制。当HLIM 等于00、01、10 和11时，分别表示未压缩、1跳、64跳和255跳。

M:1 b，指示目的地址类型。当M=0 时，目的地址不是多播地址;当M=1时，目的地址为多播地址。

SAC:1 b，表示源地址的压缩方式，当它为0时表示使用的是无状态头部压缩;为1时表示使用的是基于上下文的头部压缩。

SAM 用来控制不同压缩方式下源地址压缩方式。

DAC与DAM 的控制目的地址的压缩方式，具体含义与SAC和SAM相似。

传输层UDP 报文紧跟在IPv6 网络层包头后面，UDP 包头压缩比较简单，是否压缩由前述NH 字段指定。标准UDP报文头部中的长度域省略，源端口号、目的端口号以及校验和域的压缩方式由P和C字段表示，校验和域暂不压缩。UDP报文头部具体压缩格式如图8所示。

众所周知，TCP/IP 端口号为16 位，通常以0xf0 和0xf0b开始，其压缩方式由P字段指定，具体如下：

00：不压缩;01：目的端口号前8位(0xf0)省略，其他部分和源端口号保留;10：源端口号前8位(0xf0)省略，其他部分和目的端口保留;11：目的端口和源端口的前12位(oxf0b)省略，其他部分保留。

2.3 IP网络层与传输层设计

标准TCP/IP 协议占用资源较多，而无线传感器网络属于资源受限网络，因此边界路由器的设计要特别注意协议栈资源占用。uip IPv6(uIPv6)协议栈专为资源受限的设备设计，RAM的占用量只有1.7 KB，代码量只有[12]11.5 KB，因此选择移植uip IPv6 协议栈作为基于IPv6的无线传感器网络协议的IP层和传输层。

uip IPv6 协议栈的IP 网络层和传输层使用同一个数据缓存区，因此可以将IP 网络层和传输层统一处理。本设计中各功能模块由轻量级操作系统Contiki统一调度，因而设计一个IP 网络层任务集中处理从适配层接收到的数据包和应用层需要发送的数据包。

3 测试与分析

3.1 测试平台搭建

边界路由器负责WSN 网络与IPv6 网络之间的通信，本文实验验证了边界路由器的工作性能。实验测试平台包括一个边界路由器、一个传感器节点和一台Linux主机，其中边界路由器通过 UART接口与Linux主机的USB口连接，链路层运行slip协议。边界路由器和传感器节点的IPv6地址配置为 aaaa：：215:8d00:b：6840和aaaa：：215:8d00:b：67d3，Linux主机端运行slip守护程序来监听USB口，其 IPv6地址为aaaa：：1.

3.2 测试结果分析

通过在Linux 主机上向传感器节点(IPv6 地址为aaaa：：215:8d00:b：67d3)发送ping6 报文，来测试传感器节点的可达性，以验证边界路由器的正常工作，实验结果如图9所示。

实验对边界路由器的数据包转发率、平均传输延迟和传输稳定性进行了分析。其中，数据包转发率是指 Linux 主机收到的echo 报文数量和发送的ping6报文数量之比;平均传输延迟是指Linux主机发送ping6报文和接收到echo报文之间的平均时间间隔;传输稳定性是指传输延迟的变化幅度，用算术平均差评定。分析结果如图10~图12所示。

如图10和图11所示，在发送不同长度ping6报文测试时，边界路由器均具有良好的数据转发成功率(大于90%)，并且数据传输延迟较小。图12列举的是发送不同长度ping6报文测试时链路传输延迟的算术平均差，对于不同长度的测试报文传，输延迟算术平均差基本小于15 ms，网络链路传输延迟抖动较小，证明网络的链路稳定性较好。

4 结论

本文针对无线传感器网络实际应用的现实需求，提出了基于IPv6 的无线传感器网络边界路由器的设计方案。该设计方案实现了无线传感器网络与IPv6网络的无缝融合，降低了网络应用布置成本，提高了系统的灵活性。实验证明，该方案设计的边界路由器具有较低的数据传输延迟，网络的链路比较稳定，能够满足实际应用要求。