6LoWPAN链路层优化

IP的最重要功能之一是互联各种异构网络使之成为一个单一的互操作的网络。这同样适用于6LoWPAN和嵌入式网络，那里有许多无线（也有有线）链路层技术。嵌入式网络的针对性应用比典型个人计算机网络需要更广泛的通信解决方案，个人应用几乎普遍地使用以太网和Wi-Fi。幸运的是在嵌入式网络应用领域里，IEEE 802.15.4标准是最常见的2.4GHz无线技术，并已经被用来作为6LoWPAN发展基础。其他6LoWPAN技术包括GHz以下无线电、远程遥测链接和平坦功率通信，见表4-1。

为了能够在互联网协议下工作，链路层应当具有一些特点满足要求。这些特点包括框架、寻址、纠错、长度指示、可靠性、广播以及合理的帧长度。6LoWPAN的设计是为了可以使用一种特殊类型的链接，具有一套的链接的要求和建议。

链路层支持6LoWPAN最基本的要求是框架、单播传输和寻址。寻址需要区分同一链接中的节点，并形成IPv6地址。它强烈建议一个链接支持唯一的默认地址情况下，从而能够支持无边界的自动配置。多址接入链接应该提供广播服务。IPv6标准而不是6LoWPAN标准要求能够提供多播服务，只要满足广播就足够了。IPv6需要最大传输单元（Maximum Trans-mission Unit，MTU）是一个链接1280B，这一要求6LoWPAN满足，因为它支持6LoWPAN适配层的划分。一个链接应该提供至少30B长的有效负载长度，最好是大于60B。虽然UDP和ICMP包括一个简单的16位校验，建议链路层也进行纠错检查。最后，因为IPsec对6LoWPAN而言，并非总是很实用的，强烈建议连接点具有强大的加密和认证能力。2006年的版本的IEEE 802.15.4标准中不包括“下一个协议标识符”，这使得检测负载中的协议十分困难。

接下来的部分介绍了用于6LoWPAN的3种链路层技术：IEEE 802.15.4，GHz以下的ISM带宽无线电和低速功率线通信。

IEEE 802.15.4标准描述了低速率无线个人局域网的物理层和MAC协议，属于IEEE802.15工作组。IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz和868/915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS），使用相同的物理层数据包格式，在868/915MHz、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbit/s。2.4GHz频段采用的是O-QPSK调制，868/915MHz频段采用BPSK调制。第一个版本的标准于2003年发布，2006年修订。最近IEEE 802.15.4a标准发布，扩展IEEE802.15.4有两个新的物理层标准：分别是2.4GHz物理层和3.1～10.6GHz的超宽带物理层两个物理层都基于直接序列扩频，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。

表4-1　IEEE 802.15.4标准所期望达到的特性

（1）IEEE 802.15.4网络构成和网络拓扑

IEEE 802.15.4支持两种拓扑：单跳星形或多跳对等拓扑（见图3-3及图3-5）。

最简单的一种是星形网，只有一个网络协调器，连接多个从设备。为了降低系统成本，定义了两种物理设备：完整功能设备（Full Function Device，FFD）和部分功能设备（Reduced Function Device，RFD）。FFD支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其他设备对话。RFD仅支持星形结构，不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但是实现非常简单。在星形网中只有网络协调器是FFD，其他均为RFD。另一种网络结构是对等网络，它的覆盖范围很大，有成千上万个节点。

（2）IEEE 802.15.4网络的工作模式和数据传送方式(www.xing528.com)

IEEE 802.15.4支持两种工作模式：信标使能（Beacon-enabled）和无信标使能（Non-beaconenabled）模式。

信标使能模式中，Coordinator定期广播信标，以达到相关设备实现同步及其他目的。在无信标使能模式中，Coordinator不定期广播信标，而是在设备主动向它请求信标时再向它单播信标。

IEEE 802.15.4网络数据传送方式有3种：直接数据传输、间接数据传输和有保护时隙数据传输。数据可以在协调者和设备之间进行传输，也可以在对等网络中从一方到另一方。

（3）IEEE 802.15.4的技术特点

1）允许传输的报文长度较短。MAC层允许的最大报文长度为127B，除去MAC头部25B后，仅剩下102B的MAC数据。

2）支持两种地址。长度为64bit的标准EUI-64长MAC地址以及长度仅为16bit的短MAC地址，可以视协议实现选用两种地址。

3）带宽低。在不同的工作频率下IEEE 802.15.4协议提供不同的数据速率：250kbit/s（2.4GHz），40kbit/s（915MHz），20kbit/s（868MHz）。

4）网络拓扑简单，可以在拓扑中进行多跳路由的操作。

5）低功耗。一般运行IEEE 802.15.4的节点都要求使用低功耗的硬件设备，使用电池供电。