6LoWPAN Technical Overview Speaker: Kuan-Ta Lu Date: July 20, 2010

Outline Introduction IEEE 802.15.4 Standard 6LoWPAN Overview Adaptation Layer 6LoWPAN Routing Exercise

Introduction Personal Area Network(PAN) Wireless Sensor Network(WSN) 6LoWPAN IPv6 IEEE 802.15.4 (PHY and MAC) Low Power Wireless Personal Area Network(LoWPAN) ZigBee

IEEE 802.15.4 Standard (1/6) IEEE 802.15.4低速無線個人區域網路(Low-Rate Wireless Personal Area Networks; LR-WPAN)標準，是由電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE)在2003年所提出的標準，致力於實體層(Physical Layer; PHY)與媒體存取控制層(Media Access Control Layer; MAC)的規範。

IEEE 802.15.4 Standard (2/6) IEEE 802.15.4具有低資料傳輸速率、低功率消耗、低成本、低複雜度和短距離傳輸等特性。 有兩種不同類型的設備，分別為全功能設備(Full Function Device; FFD)和精簡功能設備(Reduced Function Device; RFD)。 根據不同的應用，低速無線個人區域網路支援兩種類型的網路拓樸，一種是星狀拓樸(Star Topology)，另一種則是對等式拓樸(Peer-to-Peer Topology)。

IEEE 802.15.4 Standard (3/6)

IEEE 802.15.4 Standard (4/6) 在IEEE 802.15.4的標準中，實體層主要負責開關無線電收發器、選擇通道、偵測電力和傳送與接收封包等功能。 實體層採用直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS)技術，可使用三種不同的頻段，藉此滿足全球不同國家對於免使用執照頻道(License-Free Band)的規範。 歐洲地區的868.0~868.6MHz頻段，具有一個通道，編號為0，提供20Kbps傳輸速率。 美國地區的902.0~928.0MHz ISM頻段，具有10個通道，編號為1~10，各個通道提供40Kbps傳輸速率。 全球通用的2.4~2.4835GHz ISM頻段，具有16個通道，編號為11~26，各個通道提供250Kbps傳輸速率。

IEEE 802.15.4 Standard (5/6) 媒體存取控制層主要定義了兩種傳輸模式，分別為信標網路(Beacon-enabled Network)與無信標網路(Non Beacon-enabled Network)。 無信標網路採用基本的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)機制來做競爭，即當某個設備想傳輸資料，它必須等待一個隨機時間，然後偵測頻道是否閒置，如果是閒置狀態則馬上傳送資料，否則再等待一個隨機時間後再嘗試。 信標網路包含有超級訊框(Superframe)的架構，超級訊框結構是由信標(Beacon)內容指定，協調者會定時發送信標，信標與信標之間最多可分為16個時槽(Slot)，所有設備都是以信標作時間同步，並且在這16個時槽之中，選擇一個時槽作為資料的傳遞。

IEEE 802.15.4 Standard (6/6) 超級訊框結構

6LoWPAN Overview (1/3) 6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks)的發展始於2004年11月，由IETF組成一個工作組，致力訂定基於IPv6的低功率無線個人網域傳輸標準，即IPv6 over IEEE 802.15.4。 6LoWPAN具有的優勢為IP網路技術的廣泛運用和其已發展成熟的特性，而IPv6也正在加速其普及的速度，相對於要發展新技術而言，IPv6更易於被接受，且能直接與網際網路上既有的設備溝通，可充分利用現有的IP技術進行發展。 由於是使用IPv6技術，因此賦予6LoWPAN具有大量IP 位址，對於佈署大規模及高密度的節點有著莫大的幫助。

6LoWPAN Overview (2/3) 6LoWPAN結構

6LoWPAN Overview (3/3) 6LoWPAN協定架構

Adaptation Layer (1/5) 6LoWPAN在標頭壓縮部分，定義了HC1編碼壓縮機制。

Adaptation Layer (2/5) 適應層另外支援封包切割與重組機制，當IPv6封包無法整個填入媒體存取控制層的訊框時，會將封包切割成數個部分，以便透過多個訊框把封包傳送給接收端，由接收端負責重組。 第一個部分切割標頭(Fragmentation Header)的結構，大小為4位元組。而接續在第一個部分之後的封包切割標頭，則多增加額外的Offset欄位，此欄位長度為1位元組，所以該標頭會佔5位元組。 Datagram size欄位用來指出原始IP封包在切割前完整的大小，從同一個封包切割而來的部分，該欄位會具有相同的值。 Datagram tag欄位則是用來辨識從哪一個原始封包所切割而來的，同樣的，由同一個封包切割取得的，此欄位值都會是一樣。

Adaptation Layer (3/5) 為了支援第2層繞路與傳送IPv6封包，6LoWPAN在適應層定義了網狀繞路標頭(Mesh Header)。 因為IEEE 802.15.4標準包含16位元和64位元位址兩種，所以透過Originator(O)與Final destination(F)欄位值，其值為1表示使用16位元位址，或值為0則表示使用64位元位址，藉此來判斷標頭後方位址欄位。 Hop left欄位是用來限制傳送端與目的端之間最大的節點跳躍數；而0xF欄位值是保留用來指定額外的跳躍數，最多可以增加到255個節點。

Adaptation Layer (4/5) 不同的機制會有不同的標頭，而這些標頭可以透過前2位元來分辨。 11表示是封包切割標頭 10則表示是網狀繞路標頭 00選擇用來辨識是否為非6LoWPAN網路訊框 01為發送標頭(Dispatch Header)使用 發送標頭定義多個型態的發送標頭，後段6位元序列可以用來指出接下來標頭的型態。目前發送標頭只定義5種型態。

Adaptation Layer (5/5) 發送標頭位元序列表 6LoWPAN標頭次序

6LoWPAN Routing (1/6) 根據路由決策所在的階層，6LoWPAN中的路由機制可以分為兩類：Mesh-under與Route-over。 Mesh-under是在適應層進行路由決策的，由於使用IEEE 802.15.4媒體存取控制層位址作為路由位址，所以為非IP路由協定。 Route-over則是在網路層執行路由決策，並且透過數個節點充當路由器，進而完成IP網路路由。

Adaptation Layer (2/6)

Adaptation Layer (3/6) 由於6LoWPAN設備的資源有限，所以在現有的路由機制中可選擇適用於6LoWPAN環境的機制相對較少。AODV(Ad-Hoc On-demand Distance Vector)路由協定具有簡易找尋路徑的特色，是少數適用於6LoWPAN環境路由。 然而，為了更符合6LoWPAN環境路由，則必須針對AODV作些許的修改，LOAD(6LoWPAN Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing)和DYMO-low(Dynamic MANET On-demand for 6LoWPAN Routing)就是以AODV為基礎發展的路由協定。 階級式的HiLow(Hierarchical Routing over 6LoWPAN)路由協定，也是針對6LoWPAN環境所發展而來的。

Adaptation Layer (4/6) LOAD路由協定

Adaptation Layer (5/6) HiLow路由協定

Adaptation Layer (6/6)

Exercise Tutorial: Running Contiki with uIPv6 and SICSlowpan Support on the Atmel Raven RZUSBSTICK to AVRRAVEN (RA) RZUSBSTICK to RZUSBSTICK (Manual) RZUSBSTICK to AVRRAVEN & RZUSBSTICK (RA) contiki-2.5.rc1.zip