6LoWPAN Technical Overview

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1 6LoWPAN Technical Overview
Speaker: Kuan-Ta Lu Date: July 20, 2010

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

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

4 IEEE Standard (1/6) IEEE 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。

5 IEEE Standard (2/6) IEEE 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)。

6 IEEE Standard (3/6)

7 IEEE Standard (4/6) 在IEEE 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。

8 IEEE 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。

9 IEEE Standard (6/6) 超級訊框結構

10 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 。 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。

11 6LoWPAN Overview (2/3) 6LoWPAN結構

12 6LoWPAN Overview (3/3) 6LoWPAN協定架構

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

14 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。

15 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 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。

16 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。

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

18 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 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。

19 Adaptation Layer (2/6)

20 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。

21 Adaptation Layer (4/6) LOAD路由協定

22 Adaptation Layer (5/6) HiLow路由協定

23 Adaptation Layer (6/6)

24 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