6LoWPAN适配层分片重组的研究与实现＊

马亲民，戴光智

（1.华中师范大学 物理学院，武汉 430079；2.华南理工大学；3.深圳职业技术学院）

马亲民（博士研究生、讲师），研究方向为计算机网络通信及网络安全；戴光智（副教授），研究方向为计算机应用及无损检测。

引 言

无线传感器网络（WSN）是集成了传感器、微机电、现代网络和无线通信技术，具有信息感知、采集和处理功能的综合性智能通信系统，在工业、农业、环境、医疗、交通等领域具有广泛的应用［1］。2003年，IEEE标准委员会发布了WSN方面的国际标准IEEE 802.15.4正式版，目前已经发展到2006版本。该标准定义了WSN的物理层和MAC（Media Access Control，媒体访问控制）层，2004年底业界成立的ZigBee联盟正式通过链路层以上的协议规范，包括网络层、传输层和应用层。目前IEEE 802.15.4标准已经和ZigBee标准已经在智能家居、医疗保健等低功耗、低速率通信环境中得到了广泛的应用。然而，ZigBee技术知识考虑了WSN内部节点之间的互通，却无法直接与外界网络互连。为了解决IEEE 802.15.4不断趋于成熟与ZigBee日益显露出来的固有局限性之间的矛盾，同时考虑到无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）的飞速发展，2004年11月因特网工程任务小组（Internet Engineering Task Force，IETF）成立6LoWPAN（IPv6over Low－power Wireless Personal Networks）工作组，目标就是将IPv6融入到以IEEE 802.15.4作为底层协议标准的WPAN中，物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，从而实现WSN与Internet的无缝连接［2］。由于IPv6协议的庞大、复杂与WSN节点资源受限之间存在巨大差异，6LoWPAN协议的思想就是在这两者之间增加一个中间层——适配层（Adaption Layer），来让IPv6可以适配WSN。

1 6LoWPAN适配层分析

1.1 6LoWPAN网络模型

目前实现WSN与IPv6互连的方式有三种：①仅网关支持IPv6；②仅某些特殊节点支持IPv6；③所有节点全部支持IPv6。①和②不能凸显IPv6的特性和优势，反而需要进行额外的协议转换工作，③中每个节点都有一个全球唯一的IPv6地址，可以实现WSN与IPv6的无缝连接，6LoWPAN适配层加在IPv6与IEEE 802.15.4的 MAC层之间，发挥着承上启下的重要作用。与ZigBee相对比的网络模型如图1所示［3］。

图1 IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN之间的关系

IETF 6LoWPAN适配层主要的功能包括：地址配置、报文的分片和重组、IPv6报头压缩、路由、网络管理等。本文主要分析和研究报文的分片和重组功能［3］。根据RFC2460协议规定，IPv6以下的链路层的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）最小应该是1 280字节［5］。因此作为链路层的6LoPAN就要能够接收1 280字节的数据包，并将其分成127字节以内的IEEE 802.15.4能够接收的MAC层的数据帧。

1.2 IPv6报文格式

根据RFC2460协议规定IPv6数据包（packet）由基本头部、0个或数个扩展头部以及可变长的有效载荷三部分组成，其中基础头部包含了源和目的的128位IPv6地址，因此其长度规定稍长为40字节。而扩展头部在原本就紧张的资源的WSN网络中，通常不会用到。IPv6数据包及其基本头部结构如图2所示。

图2 IPv6数据包及其基本头部结构

1.3 IEEE 802.15.4MAC层的数据帧格式

IEEE 802.15.4MAC层的数据帧由三部分组成［6］：

◆MHR即MAC Header，包含有帧控制信息、地址信息以及安全信息等；

◆MAC Payload即MAC有效负载，是该层的SDU，存放6LoWPAN以及ZigBee数据；

◆MFR即MAC尾部，为整个数据帧的校验和。

IEEE 802.15.4MAC层帧格式如图3所示。假设没有使用安全头，那么其中MAC头部最大占用23字节，如果地址域中的源和目的PAN ID启用、源和目的地址全部使用长地址，加上帧校验固定使用的2字节，MAC帧中的控制部分最长将是25字节。当然，如果不启动PAN ID，全部使用短地址，控制信息就可以减小，可以容纳更大的上层数据包。因此，当该层不适用任何安全机制的情况下，允许最大的负载长度为127－25＝102字节［3］。

图3 IEEE 802.15.4MAC层帧格式

如果MAC启动安全机制，又会增加控制信息的字节数，它们所增加的开销如表1所列。

表1 IEEE 802.15.4MAC层安全级别及其开销

按照最高安全级别即AES－CCM－128计算，那么剩下的载荷空间将只有127－25－21＝81字节。而对于IPv6协议而言，最小的数据包都是1 280字节，因此必须要将IPv6数据报进行分片和重组，这就是6LoWPAN的中心工作之一［8］。

2 6LoWPAN适配层数据报的分片

如果整个的IPv6数据报可以全部填充到一个IEEE 802.15.4的帧里面去，就无需分片处理。如果IPv6的数据报超过了，就需要进行分片处理。6LoWPAN的分片帧有两种起始片帧（First Fragment）、后续片帧（Subsequent Fragments）两种（注：没有结尾片帧），除了最后一个分片帧外，其余分片帧的封装数据都应该是8位的整数倍。其中起始片帧头以5位二进制组合11000开头，随后依次是datagram＿size字段、datagram＿tag字段，如下所示。

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后续片帧头以5位二进制组合11100开头，随后依次是datagram＿size字段、datagram＿tag字段和datagram＿offset字段，包括最后一个分片也是如此结构，如下所示：

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其中固定的二进制组合11000是固定格式搭配，表示是经过分片的数据帧。

datagram＿size（数据报长度）：一个11比特的组合，表示在分片之前的IPv6数据报的原始长度，该原始数据报经过6LoWPAN分片之后的所有分片帧的该字段值全部相等。该字段可以看出，它能允许的上层IPv6数据报的最大长度为211＝2 048字节，符合IPv6对链路层最小MTU 1 280字节的规定。很显然，只要起始分片包含了datagram＿size就够了，后续分片可以将其省略从而减少开销。但是，在每个分片中包含datagram＿size带来一个好处：方便接收端完成分片的重组工作。因为在接收端，不排除有后续分片早与起始分片到达的可能，这时接收方很容易提前知道要重组的原始IPv6数据报有多大，从而准备好缓冲区。这个格式的安排以较少的开销换取处理效率的提高，也在一定程度上防止了基于IPv4的分组重组攻击［9］。

datagram＿tag（数据报标记）：用来标识一个被拆分的IPv6数据报，所以同一个数据报的所有分片的该字段的值全部相等。该字段16位长，可以标识216个数据报，其初始值可以根据需要自己定义。发送端在每发送一个完整的IPv6数据报之后，将其自加1，达到65535之后，又重新折返回0，依次循环。以IEEE 802.15.4标准规定的LR－WPAN网络最快的速率是250kbps计算，65 535×1 280／250＝335s，也就是说要出现重复标记的，需要5min多的时间［10］。

datagram＿offset（数据报偏移）：该字段仅在后续分片中出现，是一个8字节长度的自增1的数据，用来标识该分片在重组时的排列序号。

3 6LoWPAN适配层数据报的重组

作为接收端的对应6LoWPAN适配层，收到了分片之后的数据帧，进行数据包重组的步骤依次如下［8－9］：

① 根据片头2位的组合判断是否是分片数据帧。如果是11，说明是，继续执行b；否则进行别的相应处理，本文暂不涉及。

②根据MAC源地址以及分片帧头部的datagram＿tag字段的8字节内容去查找缓存空间，判断是否是首次接收到该IPv6数据报的分片帧。如果是，将datagram＿tag的值进行缓存，建立一个单链表并讲其基本信息填入链表表头，以便接收该IPv6数据报的其他分片；否则直接往下执行。

③根据帧头部5位的组合来判断是否为起始分片。如果是，将新生成的节点接入单链表；否则根据datagram＿offset字段判断该分片的相对位置，并据此将新的节点插入到单链表中。

④判断同一个原始IPv6数据包的所有分片是否全部接收完毕。如果是，就对链表进行处理，提取出数据信息首尾相连组成原始IPv6数据包，然后将该数据包送上层处理，并释放缓冲区，接着开始接收后面的分片；如果没有接收完毕，就跳到最开始等待新的分片帧的到来。

整个处理流程如图4所示。

图4 数据包重组程序处理流程

4 测试结论

本文在PC机上 Windows 7 Professional环境下，用Visual C＋＋模拟实现上述的IPv6数据包的分片和重组过程。测试用例是严格按照IPv6的基本头部结构和UDP的头部结构封装成长度不同的16个IPv6原始数据包，其中长度最长的是1 280字节（因为按照IPv6运行于IEEE 802.15.4的规定，其 MTU为1 280字节）。程序模拟结果中，这些IPv6原始数据都分解成为由2～13（1 280／102＝12.54）个分片进行发送，接收端收到数据之后对其进行缓冲、排队、数据提取、重装成原始的IPv6数据包。结果截图如图5所示。

图5 计算机模拟6LoWPAN分片重组

实验结果表明，在6LoWPAN适配层的作用下，以IEEE 802.15.4作为底层协议的无线传感器网络可以支持IPv6协议，从而实现全IP式的WSN，为传感器网络开辟了崭新的广阔的应用市场。

［1］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［2］向浩，李堃，袁家斌.基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络［J］.南京理工大学学报：自然科学版，2010（1）：56－60.

［3］ZigBee Alliance.Understanding ZigBee gateway，2010.

［4］Montenegro G，Kushalnagar，Hui J，etal.Transmission of IPv6Packets over IEEE 802.15.4Networks［S］.RFC4944，Sep.2007.

［5］Deering S，Hinden R.Internet Protocol Version6（IPv6）Specification［S］.RFC2460，December 1998.

［6］IEEE Std 802.15.4－2006，Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）［S］.IEEE Computer Society，2006.

［7］N Kushalnagar，G Montenegro，C Schumacher.IETF RFC 4919，IPv6over Low－Power Wireless Personal Area Networks （6LoWPANs）：Overview，Assumptions，Problem Statement，and Goals［S］，2007.

［8］IETF 6LoWPAN Group［OL］.［2013－10］.http：／／datatracker.ietf.org／wg／61owpan／.

［9］李凤国.基于6LoWPAN的无线传感器网络研究与实现［D］.南京：南京邮电大学，2013.

［10］李海.6LoWPAN适配层研究与实现［D］.上海：华东师范大学，2007.