嵌入式IPv6协议栈的构造理念

网络的发展不断微型化，这也就是嵌入式所具备的特点。那么网络之中我们已经开始使用IPv6协议了。那么嵌入式IPv6协议栈的设计和要求也在这时候被广大研究者所关注。下面我们就来谈及一下这方面的内容，为大家做一个参考。

IPv6 over IEE 802 15.4的技术特点

IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术,主要定义物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,主要应用场合是读表自动化､自动化控制和传惑器网络｡IEE802.15.4针对的就是低复杂度､低功耗､低数据速率的短距离网络,目标是将普通小型电池的使用寿命延长到几年｡当芯片批量生产时,每个802.15.4设备的销售价格最终不到3美元,将很好地满足无线传感器网络的要求｡IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,即2.4GHz物理层和868/9l5MHz物理层｡

这两个物理层都基于直接序列扩额DSSS(Direct SequenceSpread Spectrum),使用相同的物理层数据包格式;区别在于工作频率､调制技术､扩频码片长度和传输速率｡2.4 GHz波段为全球统一､无须申请的ISM频段.有助于15.4设备的推广和生产成本的降低｡2.4GHz的物理屡通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输遵率,有助于获得更高的吞吐量､更短的通信时延和工作周期,从而更加省电｡868 MHz是欧洲的ISM频段,915MHz是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰｡868MHz的传输速率为20kb/s,915 MHz是40 kb/s｡

由于这两个频段上无线信号传播损耗较低,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的隈域,这些特点使其非常符台传感器网络的应用要求｡如前所述,IEEE802.15.4只规定了物理层和MAC层,并且其市场目标主要是无竣传感器网络,所以在选择网络层标准时,考虑到无线传感器网络对地址和安全性等方面的要求,以及下一代互联网协议1Pv6的不断发展和完善,在嵌入式设备中引入IPv6协议也将成为一种必然趋势｡因此,6LowPan组织建议采取嵌入式IPv6协议栈,在设计时要充分考虑资源受限与功能相对完善之间的折中｡

嵌入式IPv6协议栈的设计思想

由于无线传感器网络节点一般都是嵌入式设备,所以嵌入式IPv6协议栈的设计主要应突出“微型化"的思想｡TCP/TP协议最先是在Uuix系统里实现的,由于嵌入式系统与PC机的差别很大,在嵌入式系统中实现TCP/IP协议与在操作系统巾的实现有很大不同,所以这是设计的核心环节｡嵌入式系统的IPv6微型协议栈,直接面对硬件,没有一个多任务操作系统平台;MCU中的程序结构一般是顺序执行和硬件中断相配合的方式,与高级操作系统中多线程并发执行的方式截然不同｡因为单片机上系统的各种资源是有限的,例如CPU的处理速度､字长,RAM､ROM存储器的容量以及接口的数量等与通用计算机相比有很大差距,所以如何使协议栈做到精细､通信可靠､功能相对完善,而且又能发挥单片机的特点成为IPv6微型协议栈设计的关键问题｡“微型化"思想主要体现在设计方案核心应着眼于设计体积小,但又不影响运行的协议栈,所以要对协议栈的裁剪方面进行深入研究,去掉不必要的组件､传统的复杂调度机制和额外的扩展功能,甚至可以去除操作系统等｡

综合研究以上多方面因素,提出了能够适用于无线传感器网络的嵌入式IPv6微型协议栈的设计要求｡

①协议栈运行于单片机系统上,具有较强的兼容性｡可以在以太网上正确运行,同时在此基础上可以借助IEEE802.15.4 MAC的无线数据传输功能来传送数据包｡

②实现IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能､包括IPv6基本描述协议､ND(邻居发现)协议､ICMPv6(因特网控制报文)协议和IPv6地址的自动配置协议等｡

◆IPv6基本描述协议:IPv6数据包的发送､接收､处理等基本功能｡

◆ND(邻居发现)协议:邻居发现的地址解析功能,实现邻居请求和邻居通告｡

◆ICMPv6(因特网控制报文)协议:主要实现控制报文的消息处理,以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复｡

◆IPv6地址自动配置协议:根据IPv6地址格式的要求,主要实现IPv6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置｡

③利用对校验和字段的汁算与处理来提高ICMPv6､TCP等协议运行的正确性｡

④实现简单的应用层协议(如TELNET/SNMP协议),利用远程终端可以登录到运行嵌入式IPv6协议栈的单片机系统,以及进行简单的控制和管理操作｡

嵌入式IPv6协议栈的分层与模块化设计

嵌入式IPv6协议栈采用分层结构进行没计,将整个协议栈(包括TCP及上层应用)分为4个层次:事件触发接口层､TCP/IP网络协议层､NIC网络接口核心层和网络设备驱动接口层｡在协议栈的工作过程中使用上层调用相邻层的函数来实现相应的功能｡

各层的功能简述如下:

①事件触发接口层｡该层对应于TCP/IP模型的应用层协议(OSI模型的高层协议),主要功能是定义网络数据的格式以及网络的应用｡

②TCP/IP网络协议层｡该层对应于TCP/IP模型的传输层协议和网络层协议(OSI模型的3､4两层),主要功能是定义数据如何传输到目的地的｡使用TCP协议在两台主机之间建立端到端的连接,保证可靠的传输;IP协议进行路由选择和基于IP的寻址｡

③NIC网络接口核心层｡该层是整个网络接口的关键部位,其上层是具体的网络协议,下层是驱动程序｡它为上层提供统一的发送接口,屏蔽各种各样的物理介质;同时负责把来自下层的包向合适的协议发送｡

④网络设备驱动接口层｡该层是分层结构的最底层,其主要功能是控制具体物理介质,从物理介质接收和发送数据,并对物理介质进行诸如最大数据包之类的各种设置｡

结合对嵌入式IPv6协议栈设计要求和分层结构的全面分析,将设计实现划分为4个模块｡

各模块的功能简述如下:

①网络接口核心模块｡该模块为网络协议提供统一的发送接口,屏蔽各种各样的物理介质;同时负责把来自下层的包向合适的协议配送｡

②事件接口模块｡嵌入式IPv6协议栈没有采用BSD套接口,而是采用了事件驱动接口｡当特定TCP/IP事件发生时,将调用应用程序;而当应用程序产生输出数据时,也通过此接口发送出去｡