5 無線低速網(wǎng)絡(luò)

1、第5章 無線低速網(wǎng)絡(luò),更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)之一。無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設(shè)備的特征。本章將介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)。,5.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求5.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)5.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？,本章內(nèi)容,5.1 為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？,物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。物聯(lián)網(wǎng)

2、中那些能力較低的節(jié)點(diǎn)低速率低通信半徑低計(jì)算能力，和低能量的要求需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體進(jìn)行操作的前提就是先將他們連接起來，低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。,5.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求5.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)5.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪些？各有什么特點(diǎn)？,本章內(nèi)容,5.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee,典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：,藍(lán)牙（

3、Bluetooth）,藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發(fā)。工作在全球通用的2.4GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.1，數(shù)據(jù)率為720kb/s通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。,藍(lán)牙的主要技術(shù)特點(diǎn),藍(lán)牙技術(shù)使用的工作頻率為2.4G-2.5G之間，屬于免費(fèi)的ISM（Industry Science Medicine）頻段。

4、 藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)語音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸，其最高的通信速率為1Mb/s，采用時(shí)分方式的全雙工通信，通信距離為10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距離達(dá)到100m）。,藍(lán)牙的基本原理是藍(lán)牙設(shè)備依靠專用的藍(lán)牙芯片使設(shè)備在短距離范圍內(nèi)發(fā)送無線信號(hào)來尋找另外一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，一旦找到，互相之間便開始通信，交換數(shù)據(jù)。藍(lán)牙核心系統(tǒng)包括射頻收發(fā)器、基帶及協(xié)議堆棧，該系統(tǒng)可以提供設(shè)備連接服務(wù)，并支持在這些設(shè)備之間交換各類數(shù)據(jù)。支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多

5、點(diǎn)通信。,藍(lán)牙的主要技術(shù)特點(diǎn),藍(lán)牙產(chǎn)品采用跳頻技術(shù)，能夠抵抗信號(hào)衰落；采用快跳頻和短分組技術(shù)，能夠有效地減少同頻干擾，提高通信安全性；采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，以便在遠(yuǎn)距離通信時(shí)減少隨機(jī)噪聲的干擾；采用FM調(diào)制方式，使設(shè)備變得更為簡單可靠；“藍(lán)牙”技術(shù)產(chǎn)品一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每組一個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，也可以增至5個(gè)時(shí)隙；“藍(lán)牙”技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，或者3個(gè)并發(fā)的同步語音通道，或者一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步語音的通道

6、。,藍(lán)牙的主要技術(shù)特點(diǎn),藍(lán)牙技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù),藍(lán)牙系統(tǒng)采用無基站的靈活組網(wǎng)方式，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式. 在藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與7個(gè)其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接。,,藍(lán)牙組網(wǎng)方式,基于藍(lán)牙技術(shù)的無線接入簡稱為BLUEPAC （Bluetooth Public Access），藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種形式：微微網(wǎng)（piconet）和分布式網(wǎng)絡(luò)（S

7、catternet）。,微微網(wǎng)（piconet）：通過藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)微微網(wǎng)可以只是兩臺(tái)相連的設(shè)備，比如一臺(tái)便攜式電腦和一部移動(dòng)電話，也可以是8臺(tái)連在一起的設(shè)備。,藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)是自組網(wǎng)（ad hoc networks）的一種特例，其最大特點(diǎn)是無基站支持，每個(gè)移動(dòng)終端的地位是平等的，并可獨(dú)立進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策。其建網(wǎng)靈活性，多跳性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和分布式控制等特點(diǎn)是構(gòu)建藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。,藍(lán)牙技術(shù)的主

8、要缺點(diǎn)是傳輸距離短、傳輸速率慢。但由于藍(lán)牙技術(shù)能耗低，主要應(yīng)用于醫(yī)療和健康傳感器網(wǎng)絡(luò)等電源供給有限的場合. 應(yīng)用的領(lǐng)域包括：血氧計(jì)、血壓計(jì)、體溫計(jì)、體重秤、血糖儀、心血管活動(dòng)監(jiān)控儀、便攜式心電圖儀等等。藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用，全球大約80%以上的手機(jī)都使用了藍(lán)牙技術(shù)，其中將近100%的智能手機(jī)都已經(jīng)使用了藍(lán)牙技術(shù)。利用每個(gè)人都擁有手機(jī)的優(yōu)勢，藍(lán)牙技術(shù)可以用在更加廣闊的領(lǐng)域，如車載網(wǎng)的應(yīng)用、手機(jī)、電玩、電腦、手表、運(yùn)動(dòng)及

9、健體、保健、汽車工業(yè)、家居電器、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化工業(yè)等等。,藍(lán)牙無線接入技術(shù)具有小規(guī)模、低成本、短距離連接等特點(diǎn)，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。,藍(lán)牙技術(shù)的主要應(yīng)用設(shè)備,藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別,Wi-Fi的定位目標(biāo)是為了取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線設(shè)備，能夠真正

10、的實(shí)現(xiàn)從有線到無線的轉(zhuǎn)變，他可以用來傳送各種文件，視頻，音頻，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙主要是為了替換一些個(gè)人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對(duì)帶寬的要求相對(duì)較少，或者說不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計(jì)算資源等等）相對(duì)較低。,紅外（Infrared),紅外通信系統(tǒng)采用紅外技術(shù)進(jìn)行通信，該技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、短距離通信的技術(shù)。紅外線是波長在0.75～1000μm之間的無

11、線電波，是人用肉眼看不到的光線，紅外數(shù)據(jù)傳輸一般采用紅外波段內(nèi)波長在0.75～25μm之間的近紅外線。為了建立一個(gè)統(tǒng)一的紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等20多家公司發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(Infrared Data Association， IrDA)。同年6月28日，來自50多家企業(yè)的120多位代表出席了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)的首次會(huì)議，并就建立統(tǒng)一的紅外通信標(biāo)準(zhǔn)問題達(dá)成一致。為保證不同廠商基于紅外技術(shù)的產(chǎn)品

12、能獲得最佳的通信效果，規(guī)定所用紅外波長在0.85～0.90μm之間。,,利用紅外技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，無須專門申請(qǐng)?zhí)囟l段的使用執(zhí)照，具有設(shè)備體積小、功率低的特點(diǎn)。由于采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較小，數(shù)據(jù)傳輸速率高。目前廣泛使用的家電遙控器幾乎都是采用紅外線傳輸技術(shù)，在手機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備上也得到了廣泛的應(yīng)用。紅外線方式的最大優(yōu)點(diǎn)是不受無線電干擾，但是，紅外線對(duì)非透明物體的透過性較差，導(dǎo)致傳輸距離受限制，其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸連接也無

13、法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)。,紅外（Infrared),利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對(duì)障礙物的衍射較差,ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù),一種新興的短距離無線通信技術(shù)，主要面向低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率。在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)

14、調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。主要適用于工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。,802.15.4/ZigBee,802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBee主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定

15、義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范,ZigBee與IEEE802.15.4協(xié)議,IEEE 802.15.4 是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟在802.15.4的基礎(chǔ)上，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。另外ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證使用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距

16、離傳輸?shù)男畔⒉粫?huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。,,ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee聯(lián)盟得以擴(kuò)大，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加入“ZigBee 聯(lián)盟”，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。目前ZigBee聯(lián)盟全球約有400多家成員，包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、代工生產(chǎn)商以及最終使用者，其總營業(yè)額突破1萬億美元。 2011年6

17、月，ZigBee聯(lián)盟分別在北京和無錫設(shè)立了辦事處，作為在中國開展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)交流與合作的平臺(tái)。,,截至目前為止，ZigBee共公布了三個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，分別稱為ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee 2007。ZigBee 2007規(guī)范了兩套功能指令集，分別是ZigBee功能命令集和ZigBee Pro 功能命令集。,ZigBee各版本的比較,802.15.4 物理層,頻段：3個(gè)頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于

18、科研和醫(yī)療的開放頻段，包括2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)頻道。868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個(gè)信道，支持?jǐn)U展到30個(gè)；這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。,物理層,物理層,802.15.4介質(zhì)訪問控制層,MAC層控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)使用物理層的信道802.15.4

19、采用載波偵聽沖突避免多路訪問方式(CSMA/CA)， 與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測信道，退避的時(shí)間長短由具體的協(xié)議指定。,為什么CSMA/CD不適用于無線局域網(wǎng)？,存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題和暴露節(jié)點(diǎn)問題大多數(shù)無線節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器是半雙工的，無法同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這意味著它們不能在發(fā)送數(shù)

20、據(jù)的同時(shí)進(jìn)行沖突檢測。,隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn),,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有幀要發(fā)送時(shí)，首先偵聽信道：若一開始就偵聽到信道空閑，則在等待了DIFS時(shí)間后發(fā)送該幀。若信道忙，則選取一個(gè)隨機(jī)的回退值，并在偵聽到信道空閑時(shí)開始遞減該值。在此過程中若偵聽到信道忙，則凍結(jié)計(jì)數(shù)值。當(dāng)計(jì)數(shù)值減為0時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀并等待確認(rèn)。若收到確認(rèn)幀，表明幀發(fā)送成功；若還要發(fā)送下一個(gè)幀，從第2步開始CSMA/CA協(xié)議；若未收到確認(rèn)，節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入第2步中的回退階段，并從一個(gè)更

21、大的范圍內(nèi)選取隨機(jī)值。,CSMA/CA 帶沖突避免的載波偵聽多點(diǎn)訪問法,帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問,在監(jiān)聽階段，站點(diǎn)監(jiān)測到總線忙時(shí)，該站點(diǎn)將避讓一段時(shí)間后再嘗試。根據(jù)延時(shí)所采用的不同退避機(jī)制，載波監(jiān)聽多路訪問可分為如下幾種。1-堅(jiān)持CSMA非堅(jiān)持CSMA p-堅(jiān)持CSMA P-堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突，又能像1-堅(jiān)持算法那樣減少介質(zhì)空閑時(shí)間的折中方案。,CSMA/CA帶沖突避免的載波偵聽多點(diǎn)訪問法,先聽后講（

22、CSMA）假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的傳播時(shí)延為T。任一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息之前，首先偵聽信道。若空閑：等待信道持續(xù)空閑2T的時(shí)間后，隨機(jī)延遲一小段時(shí)間，發(fā)出“請(qǐng)求發(fā)送”短幀。如果信道忙，則退避一段時(shí)間再嘗試。協(xié)商后再發(fā)（CA）發(fā)出“請(qǐng)求發(fā)送”短幀之后，若在T時(shí)間內(nèi)得到目的端的“允許發(fā)送”信息，表明協(xié)商成功，在T時(shí)間內(nèi)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。,信道預(yù)約機(jī)制,若A想向B發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀：A向B發(fā)送一個(gè)RTS幀，給出發(fā)送數(shù)據(jù)幀及確認(rèn)幀需要的總時(shí)間。B收到后回復(fù)

23、一個(gè)CTS幀，幀中給出同樣的時(shí)間A收到CTS幀后開始發(fā)送，并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器等待確認(rèn)。若定時(shí)器超時(shí)，A重復(fù)以上過程。若有兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送RTS幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突，這時(shí)不成功的發(fā)送方隨機(jī)等待一段時(shí)間后重試。,CSMA/CA與CSMA/CD的不同,在CSMA/CD中，節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑時(shí)立即發(fā)送在CSMA/CA中，節(jié)點(diǎn)要推遲發(fā)送，尤其在第2步中要隨機(jī)回退。這是為了避免有多個(gè)站同時(shí)等待信道空閑，并在發(fā)現(xiàn)信道空閑后立即發(fā)送而造成的沖突。,數(shù)據(jù)

24、傳輸,由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是由電池供電的簡單器件，在有些應(yīng)用中更換電池成為不可能或沒必要，這使得MAC層數(shù)據(jù)傳輸具有低功耗的特點(diǎn)。IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功耗的機(jī)制，多數(shù)機(jī)制通過信標(biāo)使能的方式來限制器件或協(xié)調(diào)器之間收發(fā)機(jī)的開通時(shí)間，或在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)讓器件處于休眠狀態(tài),ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采

25、用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。,距離矢量路由協(xié)議（AODV）,按 需距離矢量是一個(gè)純粹的根據(jù)路由需要獲得的算法：不依賴于活

26、動(dòng)路徑的節(jié)點(diǎn)、不維護(hù)任何路由信息、也不參與任何周期性路由表的改變。更進(jìn)一步說，節(jié)點(diǎn)不一定要覆 蓋和維護(hù)一個(gè)路由到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)直到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要通信，除非以前的節(jié)點(diǎn)作為媒介物正在向基站提供服務(wù)以維持其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接。該算法最初的目標(biāo)是為了廣播信息給需要的包裹，以區(qū)別當(dāng)?shù)氐倪B接管理和總體的拓?fù)渚S護(hù)，也為了散播當(dāng)?shù)剡B接改變的有關(guān)信息給它的需要信息的鄰居的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)需要于另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，這時(shí)沒有路由信息在它的路由表上，路徑發(fā)現(xiàn)進(jìn)

27、程剛剛開始。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保持兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器：序列號(hào)和廣播ID。源節(jié)點(diǎn)通過廣播路由請(qǐng)求信息（RREQ）包裹給它的鄰居來尋找路徑，廣播路由請(qǐng)求包裹包括源地址，源序列號(hào)，廣播ID，目的地址，目的序列號(hào)，跳數(shù)。源地址和廣播ID標(biāo)識(shí)了一個(gè)唯一的RREQ，當(dāng)源地址發(fā)布一個(gè)新的RREQ時(shí)，廣播ID被增加。當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)RREQ時(shí)，如果它已經(jīng)接收到一個(gè)廣播ID和源地址都相同的RREQ了，則它會(huì)丟掉多余的RREQ，不會(huì)重新廣播。否則，它會(huì)增加

28、跳數(shù)之后，重新廣播給它的鄰居。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都保持著下列信息：目的IP地址，源IP地址，廣播ID，反向路徑路由登錄的終止時(shí)間和源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)。 一個(gè)RREQ從源端到目的端，它自動(dòng)地從所有節(jié)點(diǎn)返回到源端建立反向路徑。為了建立反向路徑，一個(gè)節(jié)點(diǎn)從它接收到的第一個(gè)RREQ那里記錄鄰居的地址。這些反向路徑路由登錄是為了保證最少的時(shí)間使RREQ通過網(wǎng)絡(luò)，然后生成一個(gè)回復(fù)給它的發(fā)送者。,當(dāng)一個(gè)RREQ到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可能是目的地本身，它擁有當(dāng)前

29、的路由到目的地，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)首先檢查是否RREQ是通過兩向鏈路被接收的。如果該節(jié)點(diǎn)不是目的地但有路由到達(dá)目的地，則它會(huì)通過比較在自己路由表獲得的目的地序列號(hào)與在RREQ中獲得的目的地序列號(hào)，從而判斷路由是否是當(dāng)前的。假如RREQ的目的地序列號(hào)大于通過中間節(jié)點(diǎn)記錄的序列號(hào)，則中間節(jié)點(diǎn)肯定沒有用這個(gè)路由去響應(yīng)RREQ，而是重新廣播這個(gè)RREQ。   如果路由的目的地序列號(hào)大于或等于RREQ的序列號(hào)但小于跳的總數(shù)，它會(huì)從它

30、所得到的RREQ中把一個(gè)路由回復(fù)包裹（RREP）拋回給它的鄰居。一個(gè)RREP包括下列信息：源地址，目的地址，目的序列號(hào)，跳數(shù)和生命周期。當(dāng)一個(gè)RREP返回源端時(shí)，沿著路徑的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都建立一個(gè)前向指示給從RREP處來的節(jié)點(diǎn)，更新路由的源地址和目的地址的信息和記錄最新的目的地址的序列號(hào)。   由RREP定義的沿著路徑的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)路由要求終止定時(shí)器之后會(huì)超時(shí)中斷，而且會(huì)刪除反向指示因?yàn)樗鼈儧]有在從源端到目的端的路徑上面。

31、超時(shí)時(shí)間的大小取決于ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。同樣地，與每一個(gè)路由入口相聯(lián)系的路由緩存超時(shí)顯示出路由被認(rèn)為無效的時(shí)間。每一次路由入口被用來從源端到地址端之間傳輸數(shù)據(jù)，登錄超時(shí)被重新安排到當(dāng)前的路由活躍時(shí)間里。   只要第一個(gè)RREP被接收，源節(jié)點(diǎn)就開始數(shù)據(jù)傳輸，如果源節(jié)點(diǎn)尋找到一個(gè)更好的路由，則會(huì)開始更新路由信息。   每一個(gè)路由表都包括下列類型的數(shù)據(jù)：目的地，下一跳，跳數(shù)，目的地址的序列號(hào)，

32、路由中活動(dòng)著的鄰居，路由表的終止時(shí)間。   對(duì) 于路徑維護(hù)，每一個(gè)保持活動(dòng)的鄰居地址的節(jié)點(diǎn)通過接收給定的目的地址從而得到維護(hù)。如果鄰居節(jié)點(diǎn)在最近的活躍超時(shí)時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生或者中轉(zhuǎn)至少一個(gè)包裹給目的地 址，則被認(rèn)為是活躍的。一旦從源地址到目的地址的路徑中的下一跳不能到達(dá)，中斷的上游節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)新的序列號(hào)和無窮多的跳數(shù)給上游的活躍節(jié)點(diǎn)來繁殖一個(gè)主 動(dòng)提供的RREP。這個(gè)過程一直持續(xù)到所有活動(dòng)的源節(jié)點(diǎn)被通告。在一個(gè)中斷的鏈路上

33、，源節(jié)點(diǎn)會(huì)重新搜索到目的地址的路由。如果源節(jié)點(diǎn)想重建到目的地的路由，則會(huì)發(fā)送一個(gè)帶有大于先前序列號(hào)的目的地序列號(hào)的RREQ。,ZigBee 應(yīng)用層,提供向終端用戶的接口，應(yīng)用層主要包含三個(gè)組件第一個(gè)組件是ZigBee協(xié)議對(duì)象，負(fù)責(zé)定義每個(gè)設(shè)備的功能和角色；第二個(gè)組件是應(yīng)用對(duì)象，每個(gè)應(yīng)用對(duì)象對(duì)應(yīng)了一個(gè)不同的應(yīng)用層服務(wù)；第三個(gè)組件是應(yīng)用支持子層，它通過把底層的服務(wù)和控制接口提供給整個(gè)應(yīng)用層，把應(yīng)用層以下的部分和應(yīng)用層連接起來，是應(yīng)用層

34、的基本組件。,ZigBee與常用協(xié)議比較,zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建,這是一個(gè)星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在該系統(tǒng)中，由協(xié)調(diào)點(diǎn)創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)查找并加入空中存在的網(wǎng)絡(luò)。 加入到網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)將自己的物理地址發(fā)給協(xié)調(diào)點(diǎn)，協(xié)調(diào)點(diǎn)把收到的節(jié)點(diǎn)的物理地址信息通過串口發(fā)送給與之相連的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)保存收到的物理地址。 計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的物理地址和指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)從而獲取某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)

35、的數(shù)據(jù)。,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意哪些問題？,本章內(nèi)容,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計(jì),鏈路特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性（Dynamic)非對(duì)稱性（Asymmetric）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一個(gè)方向鏈路質(zhì)量好，另一個(gè)方向質(zhì)量非常差?？臻g關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlation）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時(shí)間關(guān)聯(lián)性（Temp

36、oral Correlation）物理層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊， 如CC2420，同時(shí)滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì),無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小→計(jì)算不能太復(fù)雜節(jié)點(diǎn)能量少→盡量減少不必要傳輸節(jié)點(diǎn)通信范圍小→需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存小→不可能保存全部路由表節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜→高適應(yīng)性協(xié)議,MAC層：沿用CSMA/CA,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC

37、層設(shè)計(jì),無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！,MAC層設(shè)計(jì)：如何降低能量消耗？,無線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽協(xié)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候關(guān)閉定時(shí)采樣獲取信道的信息,MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題,假設(shè)采樣周期為T，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候如何保證接受者能夠收到？保持發(fā)送數(shù)據(jù)的

38、時(shí)間長度不少于T的話，接收者就能夠采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。,MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題（續(xù)）,仍然有問題：發(fā)送者每次發(fā)送最常需要持續(xù)一個(gè)采樣周期的時(shí)間，還是會(huì)帶來不必要的能量損耗。更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率→調(diào)度,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),主要特點(diǎn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能和資源極其受限的，使得節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行很復(fù)雜的計(jì)算，測量以及維護(hù)龐大

39、的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在其路徑選擇過程中均考慮了鏈路質(zhì)量。ETX是廣泛使用的路徑選擇指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)典型的鏈路測量方法。兩類典型的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議Drip,ETX：路徑選擇指標(biāo),ETX： （Expected Transmission Count），傳輸成功每個(gè)包需要的總傳輸次數(shù)，一條路徑的ETX越小代表在這條路徑上引起的總傳輸次數(shù)最小。

40、Link throughput ? 1/ Link ETX,ETX計(jì)算,假設(shè)鏈路有ACKs和重傳P(TX success) = P(Data success) ? P(ACK success)Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / [ P(Data success) ? P(ACK success) ]實(shí)際計(jì)算ETXP(Data success) ? m

41、easured fwd delivery ratio rfwdP(ACK success) ? measured rev delivery ratio rrevLink ETX ? 1 / (rfwd ? rrev),路徑ETX,通過把傳輸代價(jià)最小化，ETX提高了帶寬利用率，有效減少了傳感網(wǎng)能量消耗。通過測量雙向鏈路質(zhì)量，ETX能有效避免非對(duì)稱鏈路。,數(shù)據(jù)收集協(xié)議：CTP,CTP：（Collection Tree Protoc

42、ol）是目前廣泛使用的數(shù)據(jù)收集協(xié)議之一，可在TinyOS中實(shí)現(xiàn)。基本過程：初始化階段: 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑的ETX。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播包之后，依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的路徑ETX，動(dòng)態(tài)選擇父節(jié)點(diǎn)，使得自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑ETX盡量小。經(jīng)過不斷更新，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點(diǎn)ETX之和最小的路徑。,CTP協(xié)議基本特點(diǎn),鏈路質(zhì)量：綜合多方面信息。主動(dòng)交換控制包估計(jì)+被動(dòng)偵聽數(shù)據(jù)包動(dòng)態(tài)更新考慮網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列

43、溢出信息以避免擁塞的節(jié)點(diǎn)控制包發(fā)送：使用Trickle算法自適應(yīng)控制發(fā)包頻率，使得網(wǎng)絡(luò)不變化，發(fā)送包數(shù)量很少；網(wǎng)絡(luò)一旦變化，迅速更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)二進(jìn)制增長發(fā)包間隔，以減少發(fā)送包的數(shù)量。發(fā)生環(huán)路等異常時(shí)縮短發(fā)包間隔至最小，使網(wǎng)絡(luò)及時(shí)恢復(fù)到正常,數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議：Drip,數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的作用是將數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)中廣泛使用的是Drip協(xié)議?；竟ぷ鞣绞剑簽槊總€(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)版本號(hào)，版本號(hào)越高表示數(shù)據(jù)越

44、新。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性廣播數(shù)據(jù)項(xiàng)的版本信息當(dāng)一個(gè)Drip節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)版本信息更高時(shí)，則向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求包。收到請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)廣播該數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)包。,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何納入IPv6框架？,本章內(nèi)容,IPv6已在高速互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中得到廣泛使用，正逐步移植到低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。6LoWPAN：統(tǒng)一框架下的互聯(lián)協(xié)議，連接運(yùn)行IPv6高速

45、互聯(lián)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行低速協(xié)議的其他網(wǎng)絡(luò)。挑戰(zhàn)：不同傳輸能力挑戰(zhàn)不同設(shè)備標(biāo)記和識(shí)別挑戰(zhàn)不同設(shè)計(jì)目標(biāo)挑戰(zhàn)不同設(shè)備管理挑戰(zhàn),8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián),本章小結(jié),內(nèi)容回顧本章介紹了典型無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，重點(diǎn)討論了802.15.4/ZigBee協(xié)議各網(wǎng)絡(luò)層次的特點(diǎn)，并就無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意的問題展開談?wù)?。重點(diǎn)掌握了解物聯(lián)網(wǎng)需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原因。對(duì)比Wi-Fi，理解藍(lán)牙和紅外技術(shù)的適用范圍和特點(diǎn)。了解802.15.