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RFC6568（中文版）设计和应用空间-基于IPv6的低功耗无线个人局域网（6LoWPANs）.pdf

发布时间：2022-06-17 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.29M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    摘要
    文档说明
    版权声明
    1、简介
    1.1、技术
    1.2、网路配置的前提
    2、设计空间
    3、应用场景
    3.1、工业监控
    3.1.1、一个用例和需求
    3.1.2、6LoWPAN 适用性
    3.2、建筑监控
    3.2.1、一个用例和需求
    3.2.2、6LoWPAN 适用性
    3.3、连接家庭
    3.3.1、一个用例和需求
    3.3.2、6LoWPAN 适用性
    3.4、健康护理
    3.4.1、一个用例和需求
    3.4.2、6LoWP AN 适用性
    3.5、车载通信技术
    3.5.1、一个用例和需求
    3.5.2、6LoWPAN 适用性
    3.6、农业监控
    3.6.1、一个用例和需求
    3.6.2、6LoWPAN 适用性
    4、安全事项
    5、致谢
    6、参考文献
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 设计和应用空间 基于 IPv6 的低功耗无线个人局域网（6LoWPANs） 摘要 本文调查了低功耗无线个人局域网（LoWPANs）的潜在应用场景和用例。本文为 LoWPAN 应用提供了多维的设计空间。本文对每个方向提供了一系列的用例和市场领域，这可能对 6LoWPAN 工作组现已完成的工作有一定的利益和激励作用。本文并不提供一个完整的实际 用例列表。 文档说明 本文不是一份因特网标准文档；本文只为提供信息而发行。 本文由因特网工程任务组（IETF）发行。它代表 IETF 社区言论。本文接收了公众的建议并 由因特网工程指导委员会（IESG）改进和发行。关于因特网标准的更多信息请参阅 RFC5741 的节 2。 本 文 档 的 当 前 状 态 ， 勘 误 表 和 如 何 提 供 反 馈 等 信 息 可 以 从 这 个 网 址 得 到 ： http://www.rfc-editor.org/info/rfc6568。 版权声明 Copyright（c）2012，本文版权归 IETF 组织和文档的指明作者所有。 本文从属于 BCP 78 和 IETF 组织法律相关的 IETF 文档（http://trustee.ietf.org/license-info） 从本文发布之日起生效。请仔细审查这些文档，它们描述了你对本文的权利和约束。从本文 引用的代码必须包含简化 BSD 许可说明，如信托法律规定 4.e 节所描述的那样，本文提供 的代码不会给出警告，如简化 BSD 许可里描述的那样。 本文可能包含来自 IETF 文档或 IETF 付费出版物或在 2008 年 11 月 10 日前可出版的文档的 部分材料。这些材料的版权所有者可能未授权 IETF 组织在 IETF 标准程序外对这些材料进 行修改。在没有得到这些材料的版权所有者的授权下，本文不可以在 IETF 标准程序外进行 修改，并不允许在 IETF 标准程序外进行创建与之相关联的文档，除非是用于组织发行 RFC 文档或把它翻译成英语外的其他语言。 1、简介 低功耗和有损耗的网路（LLNs）通常指的是由高度限制节点（有限 CPU、内存、电量）组 成的并通过一系列“有损耗的”链路（低功耗射频链路或电力线通信（PLC））进行连接的 网路。它们的特点是低速率、低性能、低成本和不稳定的连接。一个 LoWPAN 是 LLN 的一 个特殊例子，由服从 IEEE 802.15.4 标准[5]的设备组成。它们的典型特征可以总结如下： 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 1]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月  有限的处理能力：通常最小的 LoWPAN 节点有一个 8 位处理器，时钟频率大概 10MHz。 其他的还有 16 位或 32 位核心（通常是 ARM7），运行频率几十 MHz。  很小的存储容量：通常最小的 LoWPAN 节点只有几 K 字节的 RAM 和几十 K 字节的 ROM 或闪存。当节点的存储容量不断的增长（例如，IMote 有 64KB SRAM，512KB 闪存），LoWPAN 节点存储容量小的本质仍是一个挑战。  低功耗：LoWPANs 的无线射频通常是用电池供电的。它们的射频（RF）收发器工作电 流通常只有 10 到 30mA，取决于使用的传输功耗等级。为了达到室内 30 米室外 100 米 的通信距离，传输功耗设置为 0 到 3dBm。根据不同的处理器类型，CPU 本身也会消耗 部分电能，通常有几十毫安。然而，CPU 消耗的电能可以减小一千倍如果切换到睡眠 模式。  短距离：由 IEEE 802.15.4 定义的个人操作空间（POS）指的是 10 米范围内。在实际实 施中，LoWPAN 射频通常能达到数 10 米，在空旷环境下能超过 100 米。  低速率：IEEE 802.15.4 标准定义的最高无线速率是 250kbit/s，这是当前部署应用最多 的。作为选择，还定义了 3 种更低的速率有 20、40 和 100kbit/s。 和其他 LLN 一样，LoWPAN 可能不仅仅包含传感器节点，还可能包含致动器。例如，在一 个农业环境，传感器节点用于检测低土壤湿度，然后发送指令来激活洒水系统。 在节 1.1 字义了通用技术和节 2 描述了 LoWPANs 的特征后，本文提供了一系列的用例和市 场领域，这可能对 6LoWPAN 工作组现已完成的工作有一定的利益和激励作用。 1.1、技术 读者应该熟悉“IPv6 应用于低功耗无线个人局域网(6LoWPANs)：概述，设想，问题陈述， 目标”[2]和“在 IEEE 802.15.4 网路上传送 IPv6 报文”[3]里所述的概念。 读者如果读过 6LoWPAN 邻居发现（ND）[6]，6LoWPAN 报头压缩[7]，和 6LoWPAN 路由 需求[8]等 6LoWPAN 的具体信息会对理解本文更有帮助。 本文定义了以下词语： LC（本地控制器） 一个逻辑功能实体，它的作用是协调和控制子节点的本地数据聚合，本地节点的状态管 理等。一个 LoWPAN 里可能有多个本地控制器节点。 LBR（LoWPAN 边界路由） 一个边界路由通常位于 LoWPANs 边界或一个 LoWPAN 和其他 IP 网路之间。在 LoWPAN 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 2]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 边界上可能有一个或多个 LBRs。一个 LBR 负责授权在它所服务的 LoWPAN 内进行 IPv6 前缀的传播。一个单独的 LoWPAN 网路也会有一个 LBR；LBR 为单独的网路提供前缀。 1.2、网路配置的前提 IEEE 802.15.4 标准区分了两种类型的节点，简化功能节点（RFDs）和全功能节点（FFDs）。 这种区分是基于一些不常用的媒介访问控制（MAC）特征，本文不使用这种区分。 6LoWPANs 可以使用 route-over 或 mesh-under 架构来部署。因为使用 route-over 或 mesh-under 并不会影响本文所描述的用例中 6LoWPAN 技术的适用性，我们使用“6LoWPAN”来表示 route-over 或 mesh-under 网路。 在数据收集和远程控制中，与 LoWPAN 之外的节进行通信变得越来越重要。中间 LoWPAN 充当链路层的转发节点或 LoWPAN 路由器，并把整个 LoWPAN 连接成一个多跳网路。LBRs 用于连接一个 LoWPAN 和其他网路，或连接其他的 LoWPANs 来形成一个扩展 LoWPAN。 在 LoWPAN 节点获得 IPv6 地址和网路配置前，每个 LoWPAN 执行一个链路层配置，可以 通过[6]所述的机制或使用一个协调器负责为链路层分配短地址。然而，链路层协调器的功 能不在本文的讨论范围内。6LoWPAN ND 分配地址的详细信息在[6]。 一个 LoWPAN 可以配置成 route-over 或 mesh-under（见[6]的技术）。在一个 route-over 的配 置里，多跳传输由 LoWPAN 路由器使用 IP 路由进行转发。在一个 mesh-under 的配置里，链 路本地的范围达到 LoWPAN 的边界，多跳传输在链路层或 6LoWPAN 适配层进行数据转发。 关于 route-over 和 mesh-under 的更多信息见[6]和[8]。 2、设计空间 从[9]得到灵感，本节列出了描述在 6LoWPAN 工作组内容中的无线传感器网路设计空间所 使用的规模。设计空间已经由 LoWPAN 特有的性质限制了（如，低功耗、短距离、低速率）， 如[2]所描述的。本文所用的场景分类可能的规模描述如下：  部署：LoWPAN 节点可以随机分散，或可以在一个 LoWPAN 内部署成有组织的形式。 部署可以是一次性的，或是一个重复的过程。所选的部署类型对节点的位置和密集度有 影响。这个特征影响了如何组织（手动的或自动的）LoWPAN 和如何在网路中分配地 址。  网路大小：网路大小考虑到节点提供的网路能力。一个 LoWPAN 的节点的数量可能很 少（10 个），中等的（几百个），或大的（超过 1000 的）。  电源：节点的电源，不管节点是有线供电或电池供电，都会影响网路的设计。电能也同 样可以从太阳能电池或其他的电源获得能量。当只有一部分网路是有线供电的，可以采 用混合供电方式。  连接性：当一个 LoWPAN 中的任意两个节点是有连接的，那么可认为这个网路是“常 连接”的。然而，由于外部原因（如，极端的环境，移动性）或程序的中断（如，睡眠 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 3]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 模式），网路连接性可能是“间歇的”（就是说，经常中断）或“零星的”（就是说，基 本上一直中断）。L2 的循环任务设置的差异可能会对连接性产生额外的影响，这是因为 高度变化的速率。  多跳通信：多跳通信因素强调的是为了到达网路边界或一个在网内的目标所要转发的跳 数。一个单跳可能对单星型拓扑是有效的，但一个多跳通信体制需要更复杂的拓扑，例 如 meshs 或树型。在之前的由学术和工业上对 LoWPANs 所做的工作中，产生了很多路 由机制，例如数据中心的、事件驱动的、地址中心的、基于定位的和地理路由等。本文 不使用如此细的粒度，而使用拓扑和单/多跳通信。  交通模式：LoWPANs 中可使用几种交通模式，点对多点（P2MP），多点对点（MP2P）， 和点对点（P2P），等等。  安全等级：LoWPANs 可能传输敏感信息，当信息可用性，完整性和保密性是重要的就 要求更高等级的安全支持。  移动性：基于 LoWPANs 固有的无线特性，节点可能会随时移动。移动性是一个固有的 因素（例如，汽车的传感器），所以是不可预测的，或是一个控制特性（如，一个供应 链里的预先设定的动作）。  服务质量（QoS）：LoWPANs 里的 QoS 问题可能与传统的端到端 QoS 有很大不同，因 为在一个 LoWPAN 应用里一端不是一个简单的传感器节点而是一组传感器节点。QoS 的参数应该考虑共同数据的延迟、报文丢失、数据吞吐量等因素。另外，QoS 需求对于 不同的数据传送模式是不同的，如事件驱动的、请求驱动的、连续实时的、或连续非实 时的；这些传送模式通常在 LoWPAN 应用里共同存在。LoWPANs 里的 QoS 问题通常 与一个资源受限的 LoWPANs 应用数据传输需求密切相关。 3、应用场景 本节依据系统设计列出了一个基本的 LoWPAN 应用场景集合。本文不提供完整的实际的用 例列表。 3.1、工业监控 LoWPAN 在工业监控上的应用与其他的方法一起可以提高生产力、降低能源消耗和增加安 全性，特别是在工程建设和制造工厂的工业操作上。为了减少在生产停机时的损失，目前很 多公司在使用消耗时间和费用的人工方式来预测故障和安排维护或替换。LoWPANs 可以使 用很少费用来安装，并提供更频繁和可靠的数据。部署 LoWPANs 可以减少设备停机和消除 需要耗费大量成本的人工设备监控。另外，可以在网路上设置数据分析功能，消除了人工数 据传送和分析。 工业监控可以大概分为以下几个应用领域：  过程监视和控制：这个应用领域结合无线传感器网路的高级能源计量和子计量技术，用 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 4]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 于最优化工厂操作，减少峰值需求，最大限度减少能量消耗，避免机器停机和增加操作 的安全性。 一个工厂的监视范围通常不会覆盖整个设施，仅仅是那些对生产比较重要的区域。无线 连接可以容易安装来覆盖这些外围区域和进行测量，这些区域用有线的连接是不可行的 或实际上不容易达到的。  机器监视：这个应用领域用于保住产品质量和效率和设备操作安全。关键的设备参数如 振动，温度，和电气信号用于异常分析，以便及时预测设备故障。  供应链管理和资产追踪：零售工业对卖出产品的质量有法律责任，尽早的检测存储环境 如温度的异常能减少在运输过程中的费用和风险。实例包含集装箱运输，产品鉴别，货 物监控，分配和物流。  存储监视：这个应用领域包含传感器系统设计，用于预防管制物质释放到地面积水，表 面积水和土壤。这个应用领域可能还包含存储设施或其他设备如管道的盗窃/贿赂预防 系统。 3.1.1、一个用例和需求 例子：医院存储室 在一家医院里，存储室的温度控制是非常重要的。红血细胞需要存储在 2 到 6 摄氏度，血小 板是 20 到 24 摄氏度，血浆是低于-18 摄氏度。对于抗癌药物，需要控制湿度在 45%到 55% 之间。存储室每 25-100 米会布置有温度和湿度传感器，依据室内平面和货架的位置而定， 因为室内障碍物对射频信号会产生阻挡。在每一个血液包上面，可以安装一个传感器标签用 于追踪在运输过程中的温度变化。一个 LoWPAN 节点安装在每一个存放血液包的容器内。 在这个例子里，需要管理一个高度密集的网路。 所有节点都是静态部署的，并人工配置成单跳或多跳的连接。不同类型的 LoWPAN 节点依 据服务和网路需求进行配置。特别地，LC 用于收集血液包的传感数据。在外部网路上，一 个存储室可安装多个 LoWPAN LC。对于一些节点上产生的紧急的事件驱动数据如温度或湿 度告警，LC 不会进行累积（产生延迟），而是直接进行转发的。 所有的 LoWPAN 节点不可以移动，除非血液包或血液包容器被移动。节点移动会重新连接 到一个新的 LoWPAN 上。当血液包的容器在医院或救护车里被移动时，容器里的 LoWPAN 节点会连接到一个新的 LoWPAN。 这种类型的应用工作在周期性的和事件驱动的通知。周期性数据用于监视存储室的温度和湿 度。数据低于或高于预先设定值将会主动上报。血液暴露于错误环境大约 30 分钟将不可再 使用。因此，当出现异常情况时产生的事件驱动数据是紧急的，需要进行安全可靠的传输。 LoWPANs 必须是易于安装和管理的，对于血液容器的运输，准确的地理位置追踪是重要的。 医院的网路管理员或工作员能够尽早得到警告或可能的链路故障，例如，可以方便地通过访 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 5]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 问在线报表和数据管理系统。 工业监测场景的重要参数：  部署：提前计划，人工安装。  网路大小：中等的到大规模的，高度密集的节点。  电源：多数是基于电池供电。  连接性：对于关键进程是常连接。  多跳通信：多跳网路。  交通模式：P2P（执行器控制），MP2P（数据收集）。  安全等级：重要商业。保障安全的传输。  移动性：无（除了资产追踪）  QoS：对时间紧急和事件驱动数据是重要的。  其他问题：传感器网路管理，位置追踪，实时告警。 3.1.2、6LoWPAN 适用性 上例子的网路配置由于系统设计可能有很大的不同。如图 1 所示，最简单的形式的在每一个 存储室内创建一个星形拓扑。基于存储室的布局和大小，LoWPAN 可以配置成另一种形式 —mesh 拓扑—如图 2 所示。 每个 LoWPAN 节点可以通过预先定义的路由/转发机制到达 LBR。每个 LoWPAN 节点配置 自己的链路本地地址并使用 6LoWPAN ND 程序[6]来从 LBR 获取网路前缀。LoWPAN 节点 需要建立一个多跳连接来达到 LC 和 LBR。 在医院场景下，安全数据传输和认证是重要的，这防止个人信息被对手获取。机密信息必须 不仅在传输时进行加密，存储在节点上也要加密，因为节点可能被偷盗。 在这个例子中数据量通常不会很大，但对实时性要求比较高。数据收集器可以安装在每一个 存储室内，或只用一个数据收集器来收集所有数据。为了减轻通信流量，通常选用 UDP 通 信，但必须增加安全传输和安全机制。为了增加安全性，应该使用链路层机制和/或额外的 安全机制。 因为一个 LoWPAN 节点的故障可能对血液包的存储产生关键的影响，在这个例子中网路管 理是重要的。必须使用一个轻量的网路管理机制来管理网路。 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 6]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 在这个例子中服务质量与高效处理实时性高和重要任务的事件驱动数据密切相关。错误的温 度与湿度事件需要尽可能快速并可靠的检测出来。对于这类数据，高效使用资源和减少能源 消耗也是重要的。能源敏感的 QoS 支持在无线传感器网路中是一个有挑战的事情[12]。可以 考虑使用能源充足的节点来进行数据收集最大程度减小延迟和最大程度提高传送的准确性， 或使用中间设备或其他类型的网路设备来帮助传送。 当一个容器移出了存储室并连接到另一个医院系统（如果医院大楼是全部或部分覆盖了 LoWPANs），一个重新连接到新父节点的机制和一个新的 LoWPAN 必须支持。在一个救护 车移动的情况下，节点会连接到车上的一个 LBR。这种移动性在 LoWPAN ND 和路由机制 是支持的。 LoWPANs 必须是易于安装和管理的，并且是有利于减少库存，和准确的容器和移动设备的 位置追踪（如，床在医院的移动，救护车）。 图 1：存储室的简单星形拓扑 图 2：存储室的 Mesh 拓扑 3.2、建筑监控 设施管理中的智能监控能提供安全检查和建筑状态的周期性监控可以提高效率。主电源节点 可以在建设的设计阶段进行安装，使用电池的节点可以在以后增加。所有的节点都是静态人 工部署的。有些数据对于安全性要求不高的（如，周期性的查询通知或普通的房间温度）， 但是事件驱动的紧急数据（如火警）必须以紧急的形式进行处理。 3.2.1、一个用例和需求 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 7]
    RFC 6568 6LoWPAN Design and Applications 2012 年 4 月 例子：桥梁安全监控 本例描述一座 1000 米长有 10 个柱子的混凝土桥梁。每个柱子和桥身包含有 5 个传感器用于 测量水位，和 5 个振动传感器用于监测桥的结构健康状态。LoWPAN 部署节点之间的距离 在 100 米的可视范围内。所有节点都是静态安装的，并人工配置成单跳连接到本地协调器。 当提供服务时，所有 LoWPAN 节点都是固定的。除了柱子以外，没有其他障碍物衰减节点 的信号，但 LoWPAN 节点之间的信号干扰还是需要认真考虑的。 当有节点发生故障时，物理网路拓扑将会发生改变。在每个柱子的顶部，安装一个水槽节点 用于收集传感数据。每个柱子的水槽节点成为 LoWPAN 主机的数据聚集点，并充当一个本 地协调器。 这个例子可以扩展到中等或大型的传感器网路用于监控一栋大楼或其他例如高速公路和隧 道的安全状态。同一类型的更大的网路仍然有相似的特征，例如静态节点安装和人工配置； 依据结构的蓝图，Mesh 拓扑会使用主电源中继节点。可以收集周期性的，查询驱动的，和 事件驱动的实时数据，紧急的事件驱动数据必须无延迟的传送。 建筑监控应用的重要参数：  部署：静态的，有组织的，提前计划的。  网路大小：小（几十个节点）到大的。  电源：主电源节点混合电池供电节点。（主电源节点用于本地协调和中继。）  连接性：常连接，或是间歇性的使用睡眠模式。  多跳通信：建议支持多跳的 mesh 网路。  交通模式：MP2P（数据收集），P2P（本地化查询）。  安全等级：重要的安全性。必须保证安全传输。只有授权用户可以访问和处理数据。  移动性：无。  QoS：紧急通知（火警，振动超标，水位，等。）要求进行优先传送，并保障传输高度 可靠。  其他事情：准确的传感和可靠的传输是重要的。另外，一个可靠的监控系统应该维护传 感器的状态。 3.2.2、6LoWPAN 适用性 本用例的网路配置可以使用简单拓扑；然而，更多扩展的用例会使用更复杂的结构。桥梁监 翻译：zucheng10 zucheng10@qq.com [Page 8]
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