物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計

第4章

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計

第4章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計4.1網(wǎng)絡層的基本拓撲結構4.2基于網(wǎng)關的網(wǎng)絡層設計4.3基于IPv6的網(wǎng)絡層設計4.4網(wǎng)絡層的安全設計4.1網(wǎng)絡層的基本拓撲結構4.1.1網(wǎng)絡層拓撲結構概述4.1.2拓撲結構的類型與使用選擇4.1.3網(wǎng)絡層拓撲結構的控制4.1.1網(wǎng)絡層拓撲結構概述網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，通常包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)從整體上看，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層可看成層次拓撲結構，即最下層的末梢網(wǎng)（如無線傳感器網(wǎng)絡）、中間的接入網(wǎng)以及上層的核心網(wǎng)（如專用通信網(wǎng)絡、公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)）4.1.2拓撲結構的類型與使用選擇按照物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)形態(tài)和組網(wǎng)方式，有集中式、分布式、混合式、網(wǎng)狀式等結構按照節(jié)點功能及結構層次，物聯(lián)網(wǎng)的拓撲結構通?？煞譃槠矫婢W(wǎng)絡結構、分級網(wǎng)絡結構、混合網(wǎng)絡結構，以及Mesh網(wǎng)絡結構

平面網(wǎng)絡結構分級網(wǎng)絡結構混合網(wǎng)絡結構Mesh網(wǎng)絡結構

基于Mesh網(wǎng)絡結構的無線傳感器的特點由無線節(jié)點構成網(wǎng)絡節(jié)點按照Mesh拓撲結構部署支持多跳路由功耗限制和移動性取決于節(jié)點類型及應用存在多種網(wǎng)絡接入方式

4.1.3網(wǎng)絡層拓撲結構的控制拓撲控制對于延長無線網(wǎng)絡的生存時間、減小通信干擾、提高MAC協(xié)議和路由協(xié)議的效率等具有重要意義拓撲控制的設計目標在保證一定的網(wǎng)絡連通質量和覆蓋質量的前提下，一般以延長網(wǎng)絡的生命期為主要目標，兼顧通信干擾、網(wǎng)絡延遲、負載均衡、簡單性、可靠性、可擴展性等其他性能，形成一個優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲結構

拓撲控制中考慮的設計目標和相關概念覆蓋連通網(wǎng)絡生命期吞吐能力干擾和競爭網(wǎng)絡延遲拓撲性質

拓撲控制方法：功率控制和睡眠調度在功率控制方面，常見的有結合路由的功率控制方法（如COMPOW）、基于節(jié)點度的功率控制（如LMA和LMN）、基于方向的功率控制（如CBTC）、基于鄰近圖的功率控制（如DRNG和DLMST）在睡眠調度方面，常見的有非層次型網(wǎng)絡睡眠調度算法（如CCP和SPAN）、層次型網(wǎng)絡睡眠調度算法（如Leach和Heed）

DRNG和DLMST等基于鄰近圖的功率控制算法的基本思想設所有節(jié)點都使用最大發(fā)射功率發(fā)射時形成的拓撲圖是G，按照一定的鄰居判別條件求出該圖的鄰近圖G′，每個節(jié)點以自己所鄰接的最遠節(jié)點來確定發(fā)射功率經(jīng)典的鄰近圖模型有RNG（RelativeNeighborhoodGraph）、GG（GabrielGraph）、DG（DelaunayGraph）、YG（YaoGraph）和MST（MinimumSpanningTree）等DRNG是基于有向RNG的，DLMST是基于有向局部MST的。DRNG和DLMST能夠保證網(wǎng)絡的連通性，在平均功率和節(jié)點度等方面具有較好的性能基于鄰近圖的功率控制一般需要精確的位置信息

非層次型網(wǎng)絡睡眠調度的基本思想每個節(jié)點根據(jù)自己所能獲得的信息，獨立地控制自己在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉換與層次型睡眠調度的主要區(qū)別在于：每個節(jié)點都不隸屬于某個簇，因而不受簇頭節(jié)點的控制和影響層次型網(wǎng)絡睡眠調度的基本思想由簇頭節(jié)點組成骨干網(wǎng)絡，則其他節(jié)點就可以（當然未必）進入睡眠狀態(tài)層次型網(wǎng)絡睡眠調度的關鍵技術是分簇4.2基于網(wǎng)關的網(wǎng)絡層設計4.2.1網(wǎng)絡層分層設計模型4.2.2網(wǎng)絡分層結構的路由與尋址4.2.3具體場景下路由與尋址的性能4.2.1網(wǎng)絡層分層設計模型網(wǎng)絡層涉及的有線網(wǎng)絡技術有電信網(wǎng)絡、有線電視網(wǎng)絡、計算機專網(wǎng)等無線自組網(wǎng)（WirelessAdHocNetworks）或MANET網(wǎng)絡是IoT組建末梢網(wǎng)絡的一種好的選擇，因為這樣的網(wǎng)絡基于IEEE802.11及變種、IEEE802.15.1、IEEE802.15.4a、IEEE802.15.4等標準協(xié)議組網(wǎng)，不依賴事先存在的基礎設施，具有最小的配置要求和低成本的快速部署特征上述其他網(wǎng)絡可作為末梢網(wǎng)絡連通因特網(wǎng)骨干的中間層，即接入網(wǎng)絡在這樣的分層模型中，網(wǎng)關在各層次間起著協(xié)議格式轉換的作用，路由和尋址是基本的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層問題

混合AdHoc網(wǎng)絡（HybridAdHocNetworks）

混合AdHoc網(wǎng)絡由以下三個不同部分組成固定網(wǎng)絡。主機總是保持在同樣的子網(wǎng)中，不會改變地址前綴，傳統(tǒng)的因特網(wǎng)網(wǎng)關協(xié)議（InternalGatewayProtocol，IGP）被用來尋找可用路由MANET網(wǎng)絡。移動物體可能移動并改變它們關聯(lián)的子網(wǎng)和地址，使用MANET路由協(xié)議尋找可用路由網(wǎng)關。網(wǎng)關是將MANET網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡互連的專門路由器。不僅允許數(shù)據(jù)分組跨越不同類型網(wǎng)絡，而且允許每個網(wǎng)絡區(qū)域的路由協(xié)議共享路由信息。這意味著網(wǎng)關必須至少具有一個屬于固定網(wǎng)絡的接口和一個屬于MANET網(wǎng)絡的接口4.2.2網(wǎng)絡分層結構的路由與尋址在物聯(lián)網(wǎng)中，希望移動物體參與信息網(wǎng)絡而沒有位置通信的限制若MANET網(wǎng)絡被用于支撐基礎的一部分，應該考慮到，當這些物體從一個子網(wǎng)移動到一個子網(wǎng)后對正在進行的通信的影響，特別是這些物體涉及地址重分配、動態(tài)網(wǎng)關的改變、路由協(xié)議的收斂等時

地址分配與因特網(wǎng)上節(jié)點通信的MANET物體的地址分配適合使用的是基于由一個或多個網(wǎng)關通告的網(wǎng)絡前綴的無狀態(tài)自動分配機制采用這方案的理由是它能較好地處理MANET的網(wǎng)絡分割問題。有了無狀態(tài)自動分配機制，移動節(jié)點依據(jù)最鄰近網(wǎng)關通告的網(wǎng)絡前綴設置它的IP地址。具有相同網(wǎng)絡前綴的節(jié)點構成一個子網(wǎng)當主機知道它與一個網(wǎng)關間的距離（由路由跳數(shù)度量）小于與它獲得當前地址的網(wǎng)關間的距離時，此主機將意識到自己處在一個不同的子網(wǎng)中依據(jù)物體移動性，地址分配自動進行，因此，MANET節(jié)點和網(wǎng)關的路由表將必須調整。這可能導致連接中斷、包丟失、包轉發(fā)延時增大

網(wǎng)關用于在移動網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡間轉發(fā)分組的路徑可能也會影響通信性能在設置地址前，MANET節(jié)點必須用一個網(wǎng)關來中轉其與固定網(wǎng)絡上通信對端之間的通信流量網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)與使用的MANET路由協(xié)議有關，并通過反應機制（ReactiveMechanism）和先驗機制（ProactiveMechanism）兩種機制之一完成

MANET路由協(xié)議當物體在不同的子網(wǎng)中移動時，用于混合AdHoc網(wǎng)絡的MANET路由協(xié)議也將極大地影響網(wǎng)絡性能。標準MANET路由協(xié)議可以分成兩類：反應式MANET路由協(xié)議和先驗式MANET路由協(xié)議反應式MANET路由協(xié)議僅在需要時進行路由發(fā)現(xiàn)，當路由改變時，需要在更長的包傳輸延時和更低的路由協(xié)議開銷間進行權衡。AODV屬于反應式MANET路由協(xié)議先驗式MANET路由協(xié)議維持和規(guī)則性地更新全部路由信息集，需要在更高的路由協(xié)議開銷和更長收斂時間與更小的包傳輸延時之間進行權衡。OSLR屬于先驗式MANET路由協(xié)議。4.2.3具體場景下路由與尋址的性能評估的性能指標包遞交率（PacketDeliveryRatio，PDR）：接收到的包數(shù)量與被發(fā)送的包數(shù)量之比端到端延時（End-to-EndDelay）：包從發(fā)送源到接收端所經(jīng)歷的時間抖動（Jitter）：端到端延時的可變性

每類路由協(xié)議的期望行為MANET路由協(xié)議協(xié)議特征物體移動性影響AODV需等待2s才能宣告路由失效僅需重尋所需

丟失路由路由包導致的擁塞較小不需要路由概括不需要網(wǎng)關INTERLINKPDR更小端到端延時更大抖動更小OLSR需等待6s才能宣告路由失效需重尋所有路由路由包導致的擁塞較大需要路由概括需要網(wǎng)關INTERLINKPDR更大端到端延時更小抖動更大4.3基于IPv6的網(wǎng)絡層設計4.3.1引入6LoWPAN的原因4.3.26LoWPAN協(xié)議棧概述4.3.3LoWPAN適配層協(xié)議4.3.4RPL路由協(xié)議4.3.1引入6LoWPAN的原因物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”的目標，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源來看，遠遠無法滿足感知智能終端的連網(wǎng)需求從目前可用的技術來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求，同時提供地址自動配置功能和移動性管理機制，便于端節(jié)點的部署和提供永久在線業(yè)務由于感知層節(jié)點低功耗、低存儲容量、低運算能力的特性，以及受限于MAC層技術（IEEE802.15.4）特性，不能直接將IPv6標準協(xié)議直接架構在IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協(xié)議層和MAC層之間引入適配層來彌補兩者之間的差異

將IPv6技術應用于物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡中需要解決的關鍵問題IPv6報文過大，頭部負載過重地址轉換報文泛濫輕量化IPv6協(xié)議路由機制組播支持網(wǎng)絡配置和管理

IETF的6LoWPAN工作組的研究重點是適配層、路由、報頭壓縮、分片、網(wǎng)絡接入和網(wǎng)絡管理等技術目前已制定了6LoWPAN網(wǎng)絡框架和適配層格式的標準，現(xiàn)在重點關注的是報頭壓縮技術，以及針對感知設備特點對IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行優(yōu)化4.3.26LoWPAN協(xié)議棧概述6LoWPAN協(xié)議使得在低功率無線網(wǎng)絡環(huán)境下資源受限（通常電池供電）的嵌入式設備能夠通過簡化的IPv6協(xié)議（IPv6分組頭部字段域進行了壓縮）與因特網(wǎng)互連并充分考慮了無線網(wǎng)絡的特性6LoWPAN協(xié)議棧如下：4.3.3LoWPAN適配層協(xié)議IPv6分組不能直接在IEEE802.15.4網(wǎng)絡上傳輸，因此，需要LoWPAN來進行適配在IEEE802.15.4之上的IPv6分組的MTU大小是1280B一個完整的IPv6分組不適合放入一個IEEE802.15.4幀中。最大物理層包大小127B，最大幀開銷25B，因此，MAC層的最大幀大小為102B

LoWPAN適配層和幀格式這里定義的封裝格式（后面稱為LoWPAN封裝）是IEEE802.15.4MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的有效載荷。LoWPAN有效載荷（如IPv6分組）遵循這個封裝頭格式LoWPAN封裝的IPv6數(shù)據(jù)包示例如下:LoWPAN封裝的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：

LoWPAN封裝的需要網(wǎng)格尋址的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的需要分片的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的、既需要網(wǎng)格尋址又需要分片的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的、既需要網(wǎng)格尋找又需要廣播頭來支持網(wǎng)格廣播/多播的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：

分派類型（DispatchType）和頭部（Header）頭2比特分別為0和1指出是分派類型分派類型（DispatchType）：6比特長的選擇器。識別分派頭部后面的頭部類型特定類型的頭部（Type-SpecificHeader）：由分派頭部確定的頭部

分派值比特模式

IPv6：指出下面的協(xié)議頭是一個非壓縮IPv6頭[RFC2460]。LOWPAN_HC1：指出下面的頭是LOWPAN_HC1壓縮IPv6頭LOWPAN_BC0：指出下面的頭是為支持網(wǎng)格廣播/多播的LOWPAN_BC0頭。ESC：指出下面的頭是一個分派值的單字節(jié)域（8bit）。支持大于127的分派值。

網(wǎng)格尋址類型和頭部頭2比特分別為1和0，指出的是網(wǎng)格類型V：若創(chuàng)建者地址是IEEE擴展64比特地址（EUI-64），這個1比特域應該是0，若為短16比特地址，則取值為1。F：若最后目的地址是IEEE擴展64比特地址（EUI-64），這個1比特域應該是0，若為短16比特地址，則取值為1。剩余跳數(shù)（HopsLeft）：這個4比特域的值應該由每個轉發(fā)節(jié)點在發(fā)送分組到它的下一跳前減少一個額定值。若此域的值被減到0，則分組不再被轉發(fā)。值0xF被保留并表示一個8比特域DeepHopsLeft緊跟其后，允許源節(jié)點指定大于14的跳限制。創(chuàng)建者地址（OriginatorAddress）：這是創(chuàng)建者的鏈路層地址。最后目的地址（FinalDestinationAddress）：這是最后目的地的鏈路層地址。

分片類型（FragmentationType）和頭部若數(shù)據(jù)包不適合放入單一802.15.4幀中，則應該分成適應鏈路的片斷。由于片偏差僅能表示成8B的倍數(shù)，因此，數(shù)據(jù)包的所有鏈路片段除最后一片外都必須是8B的倍數(shù)。第一個鏈路片段應該含有首個分片頭第二個和隨后的鏈路片段應該包含一個符合如下格式的分片頭

IPv6鏈路局部地址用于IEEE802.15.4接口的IPv6鏈路局部地址[RFC4291]由添加接口標識符到前綴FE80::/64上而形成

單播地址變換（映射）類型Type=1：針對源鏈路層地址。類型Type=2：針對目標鏈路層地址。長度（Length）：這是此選項的長度（包括類型域和長度域），以8B為單位。若使用EUI-64地址，則此域的值為2；若使用16比特短地址，則此域的值為1。IEEE802.15.4地址：64比特的IEEE802.15.4地址或16比特的短地址。這是接口當前響應的地址。

多播地址變換（映射）此功能僅用在激活網(wǎng)格功能的LoWPAN上。具有多播目的地址的IPv6分組被發(fā)送到如下圖所示格式的IEEE802.15.4的16比特多播地址上

DST[15]*引用DST[15]中的最后5比特，也就是說，引用DST[15]中的3～7比特最初3比特模式（即100）表示遵循多播地址的16比特地址格式

頭部壓縮IPv6頭部域的編碼

UDP頭部域的編碼

鏈路層網(wǎng)格上的幀傳遞在網(wǎng)格場景下，兩個設備不需要直接可達來通信在這些設備中，發(fā)送者是周知的創(chuàng)建者，而接收者是周知的最終目的地創(chuàng)建者可以使用其他中間設備來轉發(fā)數(shù)據(jù)到最終接收者為了使用單播完成這樣的幀傳遞，除了逐跳源和目的地外，在消息包中包含創(chuàng)建者和最終目的地的鏈路層地址是必要的

在網(wǎng)格中的第二層傳遞幀的實現(xiàn)過程若節(jié)點希望使用默認網(wǎng)格轉發(fā)者來傳遞分組（因為它與目的地不是直接可達的），它必須包含網(wǎng)格尋址頭（帶有創(chuàng)建者的鏈路層地址和最終目的地的鏈路層地址），然后設置802.15.4頭部的源地址為它自己的鏈路層地址，并將轉發(fā)者的鏈路層地址放在802.15.4頭部的目的地址域，最后發(fā)送此分組若節(jié)點收到帶有網(wǎng)格尋址頭的幀，它必須查看網(wǎng)格尋址頭的最終目的地域來決定幀的目的地若節(jié)點本身是最終目的地，則銷毀此分組；若它不是最終目的地，設備（網(wǎng)絡中的節(jié)點）減少剩余跳數(shù)域的值后，如果結果為0，則丟棄此分組；否則，節(jié)點查詢它的鏈路層路由表，決定通向最終目的地的下一跳節(jié)點，并將哪個節(jié)點地址放在802.15.4頭部的目的地址域最后，節(jié)點將802.15.4頭部的源地址改變?yōu)樗约旱逆溌穼拥刂凡l(fā)送此分組4.3.4RPL路由協(xié)議RPL（IPv6RoutingProtocolforLLN）

是IETF為低功率和有損耗網(wǎng)絡(LLN)開發(fā)的一個IPv6路由協(xié)議適合物聯(lián)網(wǎng)部署，因為它能適應低速設備與因特網(wǎng)間的流量轉發(fā)可以在各種鏈路層上操作（如IEEE802.15.4），是一個應用于LLN的距離矢量IPv6路由協(xié)議RPL協(xié)議的拓撲構建拓撲組織拓撲為一個有向無環(huán)圖（DAG），此圖被劃分為一個或多個目的地導向的DAG（DODAG），每個DODAG都有一個sink節(jié)點RPL標識符：RPL使用四個值來識別和維持拓撲

RPLInstanceID、DODAGID、DODAGVersionNumber

、RankRPL實例和DODAGRPL實例包含一個或多個DODAG根RPL實例可以提供通向某目的地前綴的路由，在DODAG內通過DODAG根或替代路徑可達此目的地DODAG版本為了適應拓撲的改變，需要新的DODAG版本號上行路由（UpwardRouter）和DODAG構造目標函數(shù)（ObjectiveFunction，OF）定義了RPL節(jié)點如何在RPL實例中選擇和優(yōu)化路由由DODAG信息目標（DIO）配置選項中的目標代碼點（OCP）識別定義了節(jié)點如何將一個或多個度量和約束轉化為被稱為等級（Rank）的值（此值近似于從DODAG根到擁有該值的節(jié)點的距離）定義了節(jié)點如何選擇父節(jié)點DODAG修復DODAG根通過增加DODAG版本號開始一個全局修復操作新DODAG版本中的節(jié)點能夠選擇一個新位置，此位置的等級（Rank）值不受舊版本中的等級（Rank）值約束

接地的（Grounded）和浮動的（Floating）DODAG接地的DODAG提供到主機的連接，可用來滿足定義的應用目標浮動的DODAG不需要滿足此目標，在大多數(shù)情況下僅提供到DODAG中節(jié)點的路由局部DODAGRPL節(jié)點能夠通過形成局部DODAG（它的DODAG根是希望的目的地）優(yōu)化到目的地的路由數(shù)據(jù)路徑驗證和循環(huán)檢測在有數(shù)據(jù)發(fā)送之前，RPL不必處理連接性上的短暫和低頻率的變化分組（上行或下行）路由決定的兩節(jié)點間等級（Rank）關系之間的不一致性將指出可能存在的環(huán)

分布式算法操作一些節(jié)點被配置成DODAG根，具有相關聯(lián)DODAG配置通過向所有RPL節(jié)點發(fā)送鏈路局部多播DIO消息，節(jié)點通告它們的存在、與DODAG的從屬關系、路由代價、相關度量根據(jù)指定的目標函數(shù)和其鄰居的等級，節(jié)點偵聽DIO并使用它們的信息來加入新的DODAG（因而選擇DODAG父節(jié)點），或維持存在的DODAG對DIO消息指定目的地，通過在DODAG版本中的DODAG父節(jié)點，節(jié)點提供路由表條目。決定加入DODAG的節(jié)點能夠提供一個或多個DODAG父節(jié)點作為默認路由的下一跳以及關聯(lián)實例的其他大量的外部路由下行路由和目的地通告RPL使用目的地通告對象（DAO）消息來建立下行路由DAO消息是應用的一個選擇功能，這些應用需要P2MP或P2P流量RPL支持下行流量的兩種模式儲存（完全有狀態(tài)）非儲存（完全源路由）任何給定的RPL實例均是儲存的或非儲存的在兩種情況中，P2P包向上傳輸?shù)紻ODAG根，然后向下到最終目的地（除非目的地在上行路由上）在非儲存的情形下，在向下傳輸前，包將一路傳輸?shù)紻ODAG根在儲存的情形下，通過源和目的地（比到DODAG根要早到達）的共同祖先，包可以下行發(fā)送到目的地局部DODAG路由發(fā)現(xiàn)RPL網(wǎng)絡能選擇性地支持LLN網(wǎng)絡中到特定目的地的DODAG按需發(fā)現(xiàn)這樣的局部DODAG的行為表現(xiàn)與全局DODAG稍有差別它們被DODAGID和RPLInstanceID的結合唯一定義RPLInstanceID指示DODAG是不是局部的等級（Rank）特性節(jié)點的等級是其在DODAG版本中位置的分等級表示等級被用來避免環(huán)或檢測環(huán)，同樣也必須展示某些特性類型：等級是一個抽象的數(shù)字值功能：等級是一個DODAG版本中關于其鄰居的相對位置的表達穩(wěn)定性：等級的穩(wěn)定性決定了路由拓撲的穩(wěn)定性特性：等級按嚴格單調模式增加，可用于確認到根去或從根來的級數(shù)抽象：等級沒有物理單位，但是每跳增加的一個范圍，增加值由目標函數(shù)確認等級比較函數(shù)DAGRank()：等級可以看做一個固定的帶小數(shù)點的數(shù)，整數(shù)部分和小數(shù)部分間的小數(shù)點的位置由MinHopRankIncrease決定等級關系：等級計算可以為LLN網(wǎng)絡上的鄰居節(jié)點M和N維持一些屬性RPL所使用的路由度量和約束LLN既需要靜態(tài)也需要動態(tài)度量的支持，而且，鏈路和節(jié)點度量都需要。在RPL中，事實上不可能只定義一個度量或甚至一個組合度量就能滿足所有用例RPL支持