YDB 084-2012
基本信息
标准号： YDB 084-2012
中文名称：适用于低功耗无线个域网(LoWPAN)的轻量级 IPv6 协议
标准类别：通信行业标准(YD)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
下载格式：.zip .pdf
标准分类号
关联标准
出版信息
相关单位信息
标准简介
YDB 084-2012.Light weight IPv6 protocol for IPv6 low-power wireless personal area networks.
1范围
YDB 084报告规定了适用于低功耗无线个域网环境下的轻量级IPv6协议的技术要求，包括6LoWPAN基本协议、6LoWPAN邻居发现协议以及报头压缩算法等。本技术报告MAC层只研究IEEE802.15. 4标准，其它MAC层技术以及用于6LoWPAN网络的相关路由协议不在本报告的研究范围内。
YDB 084报告适用于IPv6技术在智能小物体互联方面的应用。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
IEEE 802. 15.4 (2006)低功耗个域网的链路层和物理层规范》( Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) )
IETF RFC 4861 ( 2007 )《IPv6邻居发现》(Neighbor Discovery for IP version 6 (IPv6) )
IETF RFC 4919 (2007 )《低功耗个域网中的IPv6:总述、假设、问题和目标》(IPv6 over Low -Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview,Assumptions, Problem Statement， and Goals)
1范围
YDB 084报告规定了适用于低功耗无线个域网环境下的轻量级IPv6协议的技术要求，包括6LoWPAN基本协议、6LoWPAN邻居发现协议以及报头压缩算法等。本技术报告MAC层只研究IEEE802.15. 4标准，其它MAC层技术以及用于6LoWPAN网络的相关路由协议不在本报告的研究范围内。
YDB 084报告适用于IPv6技术在智能小物体互联方面的应用。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
IEEE 802. 15.4 (2006)低功耗个域网的链路层和物理层规范》( Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) )
IETF RFC 4861 ( 2007 )《IPv6邻居发现》(Neighbor Discovery for IP version 6 (IPv6) )
IETF RFC 4919 (2007 )《低功耗个域网中的IPv6:总述、假设、问题和目标》(IPv6 over Low -Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview,Assumptions, Problem Statement， and Goals)
标准图片预览
标准内容
通信标准类技术报告
YDB084—2012
适用于低功耗无线个域网（LoWPAN）的轻量级IPv6协议
Light weight IPv6 protocol for IPv6 low-power wireless personal area networks2012-03-25印发
中国通信标准化协会
1范围
2规范性引用文件
3术语、定义和缩略语
3.1术语和定义
3.2缩略语，
4概述
4.1感知/延伸层IPv6技术路线的选择目
4.2基于802.15.4MAC层传送IPv6需要解决的一些关键问题
56LoWPAN需求
5.1LoWPAN网络特点.
6LoWPAN网络的需求
IP连通性
拓扑结构，
包长，
配置和管理
5.2.5业务发现
5.2.6安全
66LoWPAN协议
6.1概述，
6LoWPAN适配层和顿格式..
概述，
6.2.2报头类型
网状寻址类型和报头
6.2.4分片类型和报头
6.3地址自动分配
6.4地址映射
6.4.1IPv6链路本地地址、
6.4.2单播地址映射
6.4.3组播地址映射
6.5报头压缩
6.5.1报头压缩条件
6.5.2IPv6报头域编码bzxZ.net
6.5.3非压缩域
6.5.4报头压缩的基本原理
6.5.5报文格式
YDB0842012
YDB0842012
6.6链路层路由与网络层路由
6.7链路层网状网络的传送
76LoWPAN邻居发现协议
7.1概述.
IPv6邻居发现协议的不足
邻居发现协议的优化
7.4新的邻居发现选项..
7.4.1地址注册选项.
7.4.26lowpan上下文选项
7.4.3权威边界路由器选项.
7.5流程示例
7.5.1基本路由器请求/路由器通告7.5.2邻居发现地址注册
6LoWPAN网络与IPv6网络的互通
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
参考文献
LOWPANHC1算法
LOWPAN_IPHC算法
iiiKAoNhikAca
本技术报告按照GB/T1.1-2009给出的规则起草，YDB0842012
本技术报告参考IETF6LoWPAN工作组以及IPSO产业联盟的相关研究成果，分析比较为适应智能小物体的互联对IPv6协议所作的改动，总结轻量级IPv6协议栈与传统IPv6协议栈之间的差异性；研究6LoWPAN适配层的功能需求和邻居发现协议在6LoWPAN网络中的优化为适应信息通信业发展对通信标准文件的需要，在工业和信息化部统一安排下，对于技术尚在发展中，又需要有相应的标准性文件引导其发展的领域，由中国通信标准化协会组织制定“通信标准类技术报告”，推荐有关方面参考采用。有关对本技术报告的建议和意见，向中国通信标准化协会反映本技术报告由中国通信标准化协会提出并归口。本技术报告起草单位：工业和信息化部电信研究院、中国移动通信集团公司、中国联合网络通信有限公司。
本技术报告主要起草人：张恒升、马军锋、田辉、宋菲、曹振、李振强、马书慧。III
HiiKAoNiKAca
YDB0842012
2004年IETF成立了6LoWPAN工作组，研究如何将IPv6协议应用在低功耗的个域网络上，主要研究起草相关的协议和标准，内容包括6LoWPAN适配层、报头压缩、分片、邻居发现、应用场景、路由需求等。截止到2011年8月，该工作组完成了两个标准：RFC4919，《6LoWPAN：概述，假定、问题描述和目标》；RFC4944，《基于IEEE802.15.4网络的IPv6报文传送》。正在制定在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式和6LoWPAN邻居发现协议。同时，6LoWPAN工作组也在积极研究IPv6协议在其他数据链路层协议上的适配问题，目前已有IPv6协议在低能量蓝牙上传输的草案文档作为工作组文稿进行讨论，该内容不在本报告的研究范围之内。
此外，2008年成立的IPSO联盟也在积极推动IP技术与智能物体网络相结合，支持IETF和其它标准组织发展相关IP标准，推动IP技术作为智能物体网络的首选接入方案，了解相关产业链和市场发展，组织相关产品和应用的互操作测试，发布白皮书和案例研究。本报告主要研究和引用IETF已发布的标准RFC4919、RFC4944，以及正在制定的邻居发现协议和在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式草案的技术内容，同时也对IETFRo11工作组以及IPSO的工作进展情况进行研究。
HiiKAoNiKAca
YDB0842012
适用于低功耗无线个域网（LoWPAN）的轻量级IPv6协议1范围
本技术报告规定了适用于低功耗无线个域网环境下的轻量级IPv6协议的技术要求，包括6LoWPAN基本协议、6LoWPAN邻居发现协议以及报头压缩算法等。本技术报告MAC层只研究IEEE802.15.4标准，其它MAC层技术以及用于6LoWPAN网络的相关路由协议不在本报告的研究范围内。本技术报告适用于IPv6技术在智能小物体互联方面的应用。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。IEEE 802.15.4 (2006)
IETF RFC 4861(2007)
IETFRFC4919（2007）
IETFRFC4944（2007）
低功耗个域网的链路层和物理层规范》（WirelessMediumAccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless PersonalAreaNetworks(wPANs))《IPv6邻居发现》
(IPv6))
(Neighbor Discovery for IP version 6《低功耗个域网中的IPv6：总述、假设、问题和目标》（IPv6overLow-PowerWireless Personal Area Networks (6LowPANs):OverviewAssumptions,ProblemStatement,andGoals)《在IEEE802.15.4网络中传输IPv6》（TransmissionofIPv6Packets over IEEE 802.15.4 Networks)IETFdraft-ietf-6lowpan-nd-15《适用于LLN网络（6LowPAN）的邻居发现优化》(Neighbor Discovery Optimization for Low-power and Lossy Networks)IETFdraft-ietf-6lowpan-hc-13《在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式》（CompressionFormatfor IPv6 Datagrams over IEEE 802.15.4-Based Networks)3术语，定义和缩略语
3.1术语和定义
下列术语、定义适用于本文件。3.1.1
低功耗无线个域网LowPANlowpowerwirelesspersonalareanetworks1
HiiKAoNiKAca
YDB0842012
由符合IEEE802.15.4标准的、低速率、低功耗、低成本设备组成的低功耗无线个域网，通常这些设备的计算能力、存储容量或可用电量都很低，如无线传感器设备。3.1.2
用于低功耗无线个域网的IPv6技术IPv6overlowpowerwirelesspersonalareanetworks(6LOWPAN）
用于低功耗无线个域网的IPv6技术，通过在IP层与数据链路层加入一个适配层，将IP网络构建在低功耗无线网络上，数据链路层协议目前主要指IEEE802.15.4标准，未来也可能是其他各种数据链路层协议标准。
6LoWPAN网络
采用6LoWPAN技术的网络。
3.2缩略语
下列缩略语适用于本文件。
6LoWPAN
ICMPv6
LoWPAN
LoWPANHC1
LoWPAN_IPHC
IPv6overLow-powerWireless用于低功耗无线个域网的IPv6技术Personal Area Network
6LoWPANRouter
6LoWPAN Border Router
6LoWPAN网络路由器
6LoWPAN边界路由器
AuthoritativeBorder Router
权威边界路由器选项
option
Advanced Encryption StandardAddress Registration option
Duplicate Address Detection
Dynamic
Protocol
Internet
高级加密算法
地址注册选项
重复地址检香
Configure
动态主机配置协议
Control
Protocol version 6
IP for Smart Object
Message
Internet Protocolversion4
Internet Protocol version 6
Information Technology
Low-power Wireless Personal
Area Network
LowPAN Header Compression
LoWPAN_IPv6
Compression
Media Access Control
Header
Maximum Transimission Unit
Neighbor Advertisement
Neighbor Solicitation
互联网控制消息协议版本6
IP智能物体
因特网协议版本4
因特网协议版本6
信息技术
低功耗无线个域网络
IETFRFC4919规定的IPv6报头压缩算法
draft-ietf-6lowpan-hc规定的IPv6报头压缩算法
媒质访问控制
最大传送单元
邻居通告消息
邻居请求消息
iiKAONiKAca
SNMPv3
4概述
Neighbor
Detection
Unreachability居不可达检测
Prefix Information options
前缀信息选项
Simple Network Management
简单网络管理协议版本3
Protocolversion3
Wireless Fidelity
4.1感知/延伸层IPv6技术路线的选择无线保真技术
YDB0842012
随着IT技术和通信技术的发展，通信网络将不仅仅要满足人与人的之间的通信需求，而且要进一步发展到人与物以及物与物之间的通信，并朝着无所不在的网络方向演进。要实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，需要网络具备超强的环境感知、内容感知以及智能性。通过在网络末端部署大量的信息采集终端（如传感器、二维条码、RFID标签、多媒体信息采集终端等）实现物理世界各类目标的属性、标识、状态、类型、数量、强度等各类信息获取，并通过网络、信息处理和中间件等技术将感知信息进行局部或全局地交互处理、聚合等操作从而形成为网络层提供物理世界的感知信息。在泛在网感知/延伸层网络节点必须解决低功耗、低成本和小型化的问题。从目前的技术发展来看，感知/延伸层智能终端的组网技术可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee产业联盟开发的ZigBee协议；另一种是IETF和IPSO产业联盟倡导的将IP技术向下延伸应用到感知延伸层。显然采用IP技术路线，将有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接，简化网络结构。此外IP协议还具有以下特点适应于泛在网的需求，包括：a）IP协议是由IETF标准化的开放协议，使用它不需要交额外的授权费用。b）IP协议是轻量级的协议。IP曾经被认为是重量级的，但是最近许多小型的轻量级IP协议栈已经成功开发，如：uIP、Arv6、NSv6、uIPv6、IwIP等，能够满足感知延伸层低功耗、低存储容量、低运算能力智能终端的特殊需求。IP协议可扩展性强。如IPv6协议能够支持巨大的地址空间，而且采用分层的地址结构能够支c)
持较大的网络规模。
IP协议可管理性强。IP网络具有一套完全成熟并被广泛认可的管理协议和机制d)
e）IP协议设计的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低数据传输速率的应用，IP电话等延退敏感的应用，以及文件下载等大量数据传输的应用等。
f）IP协议与底层数据链路层协议无关。IP技术采用了分层架构，使其能够工作在任何物理层面上，从有线到Wi-Fi到低功耗无线电等。g）IP网络无所不在，几乎所有的网络都提供有线或者是无线方式的IP接入。因此，从技术层面来看，在泛在网感知/延伸层采用IP技术路线将能够更好的满足泛在网未来的发展需要。
在泛在网络环境下，要实现“一物一地址，万物皆在线”，将需要大量的IP地址资源，就目前可用的IPv4地址资源量来看，远远无法满足感知智能终端的联网需求，特别是在智能家电、视频监控、汽车通信等应用的规模普及之后，地址的需求会迅速膨胀。而从自前可用的技术来看，只有IPv6能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理需求，同时提供地址自动配置功能和移动性管理机制，便于端节点的部署和提供永久在线业务。但是由于感知/延伸层节点低功耗、低存储容量、低运算能力的特性，3
HiiKAoNiKAca
YDB0842012
以及受限于MAC层技术特性（如IEEE802.15.4，协议顿小，不支持组播），不能直接将IPv6标准协议直接架构在MAC层之上，需要在IPv6协议层和MAC层之间引入适配层来屏蔽两者之间的差异。4.2基于802.15.4MAC层传送1Pv6需要解决的一些关键问题基于IEEE802.15.4MAC层传送IPv6报文，需要解决以下一些关键问题：a）IPv6地址的生成和管理，即IEEE802.15.4设备如何获取IPv6链路本地地址、全球单播地址并保证唯一性。由于IEEE802.15.4提供两种地址格式：64位地址和16位地址，需要相应的地址转换机制来实现IPv6地址和802.15.4地址的转换。最大传输单元MTU。1Pv6规定最小的MTU是1280字节，而1EEE802.15.4留给网络层以上的b
负载最大只有102字节，因此必须在MAC层和IPv6层之间设置中间层，完成二者适配。轻量化IPv6协议。IPv6协议包括很多子协议，完全实现是没有必要的，而且几乎是不可能的，c
应该针对IEEE802.15.4的特性确定保留或者改进哪些功能协议，满足嵌入式IPv6对功能、体积、功耗和成本等的严格要求。d
报头压缩。IPv6基本报头共40字节，固定报头占据了IPv6包很大的空间，而且如果存在扩展报头、传输层报头和安全机制等，效率更加低下，导致发送更多数据包，占用更多带宽，增加了功耗，大大影响电池的寿命。路由机制。IPv6网络使用的路由协议主要是基于距离矢量的路由协议和基于链路状态的路由e)
协议。这两类协议都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。而在资源受限的泛在网感知延伸层网络中采用传统的IPv6路由协议，由于节点从休眠到激活状态的切换会造成拓扑变化比较频繁，导致控制信息将占用大量的无线信道资源，增加了节点的能耗，从而降低网络的生存周期。因此需要对IPv6路由机制进行优化改进，使其能够在能量，存储和带宽等资源受限条件下，尽可能地延长网络的生存周期，重点研究网络拓扑控制技术、数据融合技术、多路径技术、能量节省机制、服务质量保证机制。组播支持。IEEE802.15.4的MAC子层只支持单播和广播，不支持组播。而Ipv6组播是IPv6f）
的一个重要特性，在邻居发现和地址自动配置等机制中，都需要链路层支持组播。所以，需要制定从IPv6层组播地址到MAC地址的映射机制：即在MAC层用单播或者广播替代组播网络管理。网络管理是必要的，而且是必需的，传统的SNMPv3是否可行，还是需要重新设计g）
适合的网络管理机制，需要深入研究。安全机制。在IEEE802.15.4的应用中，大多数都需要安全保证，一个可靠的安全机制是设备h)
大规模商用的关键之一。目前IEEE802.15.4安全（在链路层提供AES安全机制）没有密钥分配、管理等机制，函需上层提供合适的安全机制。56LoWPAN需求
5.1LoWPAN网络特点
LoWPAN网络是由符合IEEE802.15.4标准的设备组成的，具有低速率、低功耗、低成本等特点，根据IEEE802.15.4标准，LoWPAN网络具有以下特点：a)
传输报文小；
b）支持IEEE16比特短MAC地址和64比特扩展MAC地址：c）
传输带宽窄：
网络拓扑结构为网状或星型；
设备功耗低
HiiKAoNiKAca
f）设备成本低：
g）设备数量大：
设备位置不确定或不易到达：
设备可靠性差：
设备可能长时间处于睡眠状态。）
5.26LoWPAN网络的需求
YDB0842012
6LoWPAN网络是将IPv6应用于LoWPAN形成的网络，它以IPv6协议作为LoWPAN的网络层协议。6LoWPAN需要满足以下一些需求。
5.2.1IP连通性
LoWPAN网络需要大量的网络地址，同时网络设备能够自动配置地址，并与其他IP网络实现互通。5.2.2拓扑结构
LoWPAN网络能够支持各种网络拓扑，包括网状和星型拓扑。无论是多跳路由的网状拓扑还是星型拓扑，其中的部分节点设备要具有包转发能力，并与采用其他技术的网络实现无缝整合5.2.3包长
由于802.15.4长的限制，LoWPAN网络要求减少过多的报文分片和重组，要求控制/协议报文能够在一个独立的802.15.4格式的顿上承载，5.2.4配置和管理
由于LoWPAN网络设备数量多、性能有限且位置可能不易到达，因此要求协议配置要简单，易于启动，并具有自我诊断能力。网络管理要尽可能少的开销，并具有管理大量设备的能力5.2.5业务发现
LoWPAN网络需要简单的业务发现协议去发现，控制和维护设备提供的业务。5.2.6安全
LoWPAN网络需要一个全面的安全解决方案，而不仅仅是IEEE802.15.4中要求的AES技术。66LoWPAN协议
6.1概述
根据IEEE802.15.4中提出的网络特性，现有的协议均无法完全满足LoWPAN的需求。IPv6协议在地址空间、自动配置、互通能力等多个方面具有优势，可以通过对IPv6进行适配和报头压缩，实现在IEEE802.15.4网络上传输。
IEEE802.15.4定义的物理层数据帧长为127字节，再除去最大帧头，MAC层最大帧长为102字节。如果考虑链路层安全，采用AES-CCM-128加密传输，则只剩下81字节可用。这显然远远小于IPv6定义128C字节包长，所以需要一个分片/重组能力。此外，再除去40字节的IPv6报头，提供给上层协议的就只剩下41字节，在加上上层协议自已的报文头以及分片/重组的开销，用于传输数据的字段就很少，传输效5
YDB0842012
率很低。因此，需要一个6LoWPAN适配层，能够支持IP层数据包的分片/重组和报头压缩。6LoWPAN网络协议栈如图1所示。
应用层
传输层
IPe网络层
GLOWPAN适配具
80215.4MACJ
802154物理层
图16LoWPAN网络协议栈
在6LoWPAN网络中，MAC层和物理层协议主要是IEEE802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，在网络层和MAC层之间增加了一个6LoWPAN适配层，遵循6LoWPAN协议。6LoWPAN适配层主要用于完成IPv6协议对802.15.4网络的适配，提供包头压缩、报文分片/重组等功能，各种功能的报头采用堆栈的方式封装在IPv6载荷外层
6.26LoWPAN适配层和顿格式
6.2.1概述
LoWPAN封装的格式是TEEE802.15.4MAC层协议数据单元中的载荷。LoWPAN的载荷比如一个IPv6报文，紧随在封装报头之后。LoWPAN封装头以堆栈的形式出现，堆栈中的每个报头由报头类型和报头域组成。在LoWPAN封装报头堆栈中，各种报头按照一定顺序排列，网状（L2）寻址、逐跳选项（包括二层广/组播）、分片以及最后的载荷。下图2列举一些典型的报头堆栈IPv6消息
HC1消息
网状类型
分片类型
IPv6报头
LoWPAN封装IPv6报文
HC1报头
LoWPAN封装LOWPANHC1压缩的IPv6报文网状报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要网状寻址的IPv6报文分片报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要分片的IPv6报文网状类型网状报头分片类型
分片报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要网状寻址和分片的IPv6报文网状类型
网状报头广播消息
广播报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPANHC1压缩的需要网状寻址并支持网状广/组播的IPv6报文图26LoWPAN报头堆栈示例
YDB0842012
当在一个报文中出现多个LoWPAN报头，采用堆栈的顺序是网状寻址报头、广播报头、分片报头。在LoWPAN报头的定义中，除了网状寻址和分片，其他都是由消息值、对应的报头域组成的，6.2.2报头类型
表1定义了6LoWPAN报文报头的类型。表1报头类型
类型字段8比特
XXXXXX
00００01
００００１０
01００００
111111
XXXXXX
000XxX
100xxx
报头类型
NALP，非LoWPAN帧
IPv6，非压缩IPv6报头
LOWPAN_HC1，LOWPAN_HC1压缩的IPv6LOWPANBCO，LOWPANBCO广播
ESC，接着又附加的消息字段
MESH，网状报头
FRAG1，分片报头（第一个）
FRAGN，分片报头（后续）
消息报头类型由01两个比特位开头，紧接着的是消息指定类型的报头，如图3所示2比特
6.2.3网状寻址类型和报头
2比特
6比特
1比，1比
4比特
F剩余跳数
指定类型的报头
图3消息报头
源地址、目的地址
图4网状寻址类型和报头
网状寻址类型和报头如图4所示，其中各字段的说明如下：V：=0表示源地址为64比特扩展地址（EUI-64）：=1表示源地址为16比特短地址：-F：=0表示自的地址为64比特扩展地址，=1表示目的地址为16比特短地址一剩余跳数：表示此报文剩余允许经过的节点数，每过一个转发节点，数值都减少，直到为0时丢弃报文；其中，数值0xF保留，表示紧接着的是一个8比特剩余跳数域一源、目的地址：发起端和终点端的链路层地址。6.2.4分片类型和报头
如果一个IPv6报文能够完整放在一个802.15.4帧内，则不需要进行分片，LoWPAN封装也就不包含分片报头，如果一个报文超出了一个802.15.4帧载荷的长度，就需要进行链路分片。除了最后一个片段，其余所有的分片报文长度都是8字节的整数倍。图5描述了分片第一个片段的格式；图6描述了分片的后续片段，其中各字段的说明如下：7
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适用于低功耗无线个域网（LoWPAN）的轻量级IPv6协议
Light weight IPv6 protocol for IPv6 low-power wireless personal area networks2012-03-25印发
中国通信标准化协会
1范围
2规范性引用文件
3术语、定义和缩略语
3.1术语和定义
3.2缩略语，
4概述
4.1感知/延伸层IPv6技术路线的选择目
4.2基于802.15.4MAC层传送IPv6需要解决的一些关键问题
56LoWPAN需求
5.1LoWPAN网络特点.
6LoWPAN网络的需求
IP连通性
拓扑结构，
包长，
配置和管理
5.2.5业务发现
5.2.6安全
66LoWPAN协议
6.1概述，
6LoWPAN适配层和顿格式..
概述，
6.2.2报头类型
网状寻址类型和报头
6.2.4分片类型和报头
6.3地址自动分配
6.4地址映射
6.4.1IPv6链路本地地址、
6.4.2单播地址映射
6.4.3组播地址映射
6.5报头压缩
6.5.1报头压缩条件
6.5.2IPv6报头域编码bzxZ.net
6.5.3非压缩域
6.5.4报头压缩的基本原理
6.5.5报文格式
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YDB0842012
6.6链路层路由与网络层路由
6.7链路层网状网络的传送
76LoWPAN邻居发现协议
7.1概述.
IPv6邻居发现协议的不足
邻居发现协议的优化
7.4新的邻居发现选项..
7.4.1地址注册选项.
7.4.26lowpan上下文选项
7.4.3权威边界路由器选项.
7.5流程示例
7.5.1基本路由器请求/路由器通告7.5.2邻居发现地址注册
6LoWPAN网络与IPv6网络的互通
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
参考文献
LOWPANHC1算法
LOWPAN_IPHC算法
iiiKAoNhikAca
本技术报告按照GB/T1.1-2009给出的规则起草，YDB0842012
本技术报告参考IETF6LoWPAN工作组以及IPSO产业联盟的相关研究成果，分析比较为适应智能小物体的互联对IPv6协议所作的改动，总结轻量级IPv6协议栈与传统IPv6协议栈之间的差异性；研究6LoWPAN适配层的功能需求和邻居发现协议在6LoWPAN网络中的优化为适应信息通信业发展对通信标准文件的需要，在工业和信息化部统一安排下，对于技术尚在发展中，又需要有相应的标准性文件引导其发展的领域，由中国通信标准化协会组织制定“通信标准类技术报告”，推荐有关方面参考采用。有关对本技术报告的建议和意见，向中国通信标准化协会反映本技术报告由中国通信标准化协会提出并归口。本技术报告起草单位：工业和信息化部电信研究院、中国移动通信集团公司、中国联合网络通信有限公司。
本技术报告主要起草人：张恒升、马军锋、田辉、宋菲、曹振、李振强、马书慧。III
HiiKAoNiKAca
YDB0842012
2004年IETF成立了6LoWPAN工作组，研究如何将IPv6协议应用在低功耗的个域网络上，主要研究起草相关的协议和标准，内容包括6LoWPAN适配层、报头压缩、分片、邻居发现、应用场景、路由需求等。截止到2011年8月，该工作组完成了两个标准：RFC4919，《6LoWPAN：概述，假定、问题描述和目标》；RFC4944，《基于IEEE802.15.4网络的IPv6报文传送》。正在制定在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式和6LoWPAN邻居发现协议。同时，6LoWPAN工作组也在积极研究IPv6协议在其他数据链路层协议上的适配问题，目前已有IPv6协议在低能量蓝牙上传输的草案文档作为工作组文稿进行讨论，该内容不在本报告的研究范围之内。
此外，2008年成立的IPSO联盟也在积极推动IP技术与智能物体网络相结合，支持IETF和其它标准组织发展相关IP标准，推动IP技术作为智能物体网络的首选接入方案，了解相关产业链和市场发展，组织相关产品和应用的互操作测试，发布白皮书和案例研究。本报告主要研究和引用IETF已发布的标准RFC4919、RFC4944，以及正在制定的邻居发现协议和在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式草案的技术内容，同时也对IETFRo11工作组以及IPSO的工作进展情况进行研究。
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适用于低功耗无线个域网（LoWPAN）的轻量级IPv6协议1范围
本技术报告规定了适用于低功耗无线个域网环境下的轻量级IPv6协议的技术要求，包括6LoWPAN基本协议、6LoWPAN邻居发现协议以及报头压缩算法等。本技术报告MAC层只研究IEEE802.15.4标准，其它MAC层技术以及用于6LoWPAN网络的相关路由协议不在本报告的研究范围内。本技术报告适用于IPv6技术在智能小物体互联方面的应用。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。IEEE 802.15.4 (2006)
IETF RFC 4861(2007)
IETFRFC4919（2007）
IETFRFC4944（2007）
低功耗个域网的链路层和物理层规范》（WirelessMediumAccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless PersonalAreaNetworks(wPANs))《IPv6邻居发现》
(IPv6))
(Neighbor Discovery for IP version 6《低功耗个域网中的IPv6：总述、假设、问题和目标》（IPv6overLow-PowerWireless Personal Area Networks (6LowPANs):OverviewAssumptions,ProblemStatement,andGoals)《在IEEE802.15.4网络中传输IPv6》（TransmissionofIPv6Packets over IEEE 802.15.4 Networks)IETFdraft-ietf-6lowpan-nd-15《适用于LLN网络（6LowPAN）的邻居发现优化》(Neighbor Discovery Optimization for Low-power and Lossy Networks)IETFdraft-ietf-6lowpan-hc-13《在低功耗网络中传输IPv6的压缩格式》（CompressionFormatfor IPv6 Datagrams over IEEE 802.15.4-Based Networks)3术语，定义和缩略语
3.1术语和定义
下列术语、定义适用于本文件。3.1.1
低功耗无线个域网LowPANlowpowerwirelesspersonalareanetworks1
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由符合IEEE802.15.4标准的、低速率、低功耗、低成本设备组成的低功耗无线个域网，通常这些设备的计算能力、存储容量或可用电量都很低，如无线传感器设备。3.1.2
用于低功耗无线个域网的IPv6技术IPv6overlowpowerwirelesspersonalareanetworks(6LOWPAN）
用于低功耗无线个域网的IPv6技术，通过在IP层与数据链路层加入一个适配层，将IP网络构建在低功耗无线网络上，数据链路层协议目前主要指IEEE802.15.4标准，未来也可能是其他各种数据链路层协议标准。
6LoWPAN网络
采用6LoWPAN技术的网络。
3.2缩略语
下列缩略语适用于本文件。
6LoWPAN
ICMPv6
LoWPAN
LoWPANHC1
LoWPAN_IPHC
IPv6overLow-powerWireless用于低功耗无线个域网的IPv6技术Personal Area Network
6LoWPANRouter
6LoWPAN Border Router
6LoWPAN网络路由器
6LoWPAN边界路由器
AuthoritativeBorder Router
权威边界路由器选项
option
Advanced Encryption StandardAddress Registration option
Duplicate Address Detection
Dynamic
Protocol
Internet
高级加密算法
地址注册选项
重复地址检香
Configure
动态主机配置协议
Control
Protocol version 6
IP for Smart Object
Message
Internet Protocolversion4
Internet Protocol version 6
Information Technology
Low-power Wireless Personal
Area Network
LowPAN Header Compression
LoWPAN_IPv6
Compression
Media Access Control
Header
Maximum Transimission Unit
Neighbor Advertisement
Neighbor Solicitation
互联网控制消息协议版本6
IP智能物体
因特网协议版本4
因特网协议版本6
信息技术
低功耗无线个域网络
IETFRFC4919规定的IPv6报头压缩算法
draft-ietf-6lowpan-hc规定的IPv6报头压缩算法
媒质访问控制
最大传送单元
邻居通告消息
邻居请求消息
iiKAONiKAca
SNMPv3
4概述
Neighbor
Detection
Unreachability居不可达检测
Prefix Information options
前缀信息选项
Simple Network Management
简单网络管理协议版本3
Protocolversion3
Wireless Fidelity
4.1感知/延伸层IPv6技术路线的选择无线保真技术
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随着IT技术和通信技术的发展，通信网络将不仅仅要满足人与人的之间的通信需求，而且要进一步发展到人与物以及物与物之间的通信，并朝着无所不在的网络方向演进。要实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，需要网络具备超强的环境感知、内容感知以及智能性。通过在网络末端部署大量的信息采集终端（如传感器、二维条码、RFID标签、多媒体信息采集终端等）实现物理世界各类目标的属性、标识、状态、类型、数量、强度等各类信息获取，并通过网络、信息处理和中间件等技术将感知信息进行局部或全局地交互处理、聚合等操作从而形成为网络层提供物理世界的感知信息。在泛在网感知/延伸层网络节点必须解决低功耗、低成本和小型化的问题。从目前的技术发展来看，感知/延伸层智能终端的组网技术可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee产业联盟开发的ZigBee协议；另一种是IETF和IPSO产业联盟倡导的将IP技术向下延伸应用到感知延伸层。显然采用IP技术路线，将有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接，简化网络结构。此外IP协议还具有以下特点适应于泛在网的需求，包括：a）IP协议是由IETF标准化的开放协议，使用它不需要交额外的授权费用。b）IP协议是轻量级的协议。IP曾经被认为是重量级的，但是最近许多小型的轻量级IP协议栈已经成功开发，如：uIP、Arv6、NSv6、uIPv6、IwIP等，能够满足感知延伸层低功耗、低存储容量、低运算能力智能终端的特殊需求。IP协议可扩展性强。如IPv6协议能够支持巨大的地址空间，而且采用分层的地址结构能够支c)
持较大的网络规模。
IP协议可管理性强。IP网络具有一套完全成熟并被广泛认可的管理协议和机制d)
e）IP协议设计的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低数据传输速率的应用，IP电话等延退敏感的应用，以及文件下载等大量数据传输的应用等。
f）IP协议与底层数据链路层协议无关。IP技术采用了分层架构，使其能够工作在任何物理层面上，从有线到Wi-Fi到低功耗无线电等。g）IP网络无所不在，几乎所有的网络都提供有线或者是无线方式的IP接入。因此，从技术层面来看，在泛在网感知/延伸层采用IP技术路线将能够更好的满足泛在网未来的发展需要。
在泛在网络环境下，要实现“一物一地址，万物皆在线”，将需要大量的IP地址资源，就目前可用的IPv4地址资源量来看，远远无法满足感知智能终端的联网需求，特别是在智能家电、视频监控、汽车通信等应用的规模普及之后，地址的需求会迅速膨胀。而从自前可用的技术来看，只有IPv6能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理需求，同时提供地址自动配置功能和移动性管理机制，便于端节点的部署和提供永久在线业务。但是由于感知/延伸层节点低功耗、低存储容量、低运算能力的特性，3
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以及受限于MAC层技术特性（如IEEE802.15.4，协议顿小，不支持组播），不能直接将IPv6标准协议直接架构在MAC层之上，需要在IPv6协议层和MAC层之间引入适配层来屏蔽两者之间的差异。4.2基于802.15.4MAC层传送1Pv6需要解决的一些关键问题基于IEEE802.15.4MAC层传送IPv6报文，需要解决以下一些关键问题：a）IPv6地址的生成和管理，即IEEE802.15.4设备如何获取IPv6链路本地地址、全球单播地址并保证唯一性。由于IEEE802.15.4提供两种地址格式：64位地址和16位地址，需要相应的地址转换机制来实现IPv6地址和802.15.4地址的转换。最大传输单元MTU。1Pv6规定最小的MTU是1280字节，而1EEE802.15.4留给网络层以上的b
负载最大只有102字节，因此必须在MAC层和IPv6层之间设置中间层，完成二者适配。轻量化IPv6协议。IPv6协议包括很多子协议，完全实现是没有必要的，而且几乎是不可能的，c
应该针对IEEE802.15.4的特性确定保留或者改进哪些功能协议，满足嵌入式IPv6对功能、体积、功耗和成本等的严格要求。d
报头压缩。IPv6基本报头共40字节，固定报头占据了IPv6包很大的空间，而且如果存在扩展报头、传输层报头和安全机制等，效率更加低下，导致发送更多数据包，占用更多带宽，增加了功耗，大大影响电池的寿命。路由机制。IPv6网络使用的路由协议主要是基于距离矢量的路由协议和基于链路状态的路由e)
协议。这两类协议都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。而在资源受限的泛在网感知延伸层网络中采用传统的IPv6路由协议，由于节点从休眠到激活状态的切换会造成拓扑变化比较频繁，导致控制信息将占用大量的无线信道资源，增加了节点的能耗，从而降低网络的生存周期。因此需要对IPv6路由机制进行优化改进，使其能够在能量，存储和带宽等资源受限条件下，尽可能地延长网络的生存周期，重点研究网络拓扑控制技术、数据融合技术、多路径技术、能量节省机制、服务质量保证机制。组播支持。IEEE802.15.4的MAC子层只支持单播和广播，不支持组播。而Ipv6组播是IPv6f）
的一个重要特性，在邻居发现和地址自动配置等机制中，都需要链路层支持组播。所以，需要制定从IPv6层组播地址到MAC地址的映射机制：即在MAC层用单播或者广播替代组播网络管理。网络管理是必要的，而且是必需的，传统的SNMPv3是否可行，还是需要重新设计g）
适合的网络管理机制，需要深入研究。安全机制。在IEEE802.15.4的应用中，大多数都需要安全保证，一个可靠的安全机制是设备h)
大规模商用的关键之一。目前IEEE802.15.4安全（在链路层提供AES安全机制）没有密钥分配、管理等机制，函需上层提供合适的安全机制。56LoWPAN需求
5.1LoWPAN网络特点
LoWPAN网络是由符合IEEE802.15.4标准的设备组成的，具有低速率、低功耗、低成本等特点，根据IEEE802.15.4标准，LoWPAN网络具有以下特点：a)
传输报文小；
b）支持IEEE16比特短MAC地址和64比特扩展MAC地址：c）
传输带宽窄：
网络拓扑结构为网状或星型；
设备功耗低
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f）设备成本低：
g）设备数量大：
设备位置不确定或不易到达：
设备可靠性差：
设备可能长时间处于睡眠状态。）
5.26LoWPAN网络的需求
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6LoWPAN网络是将IPv6应用于LoWPAN形成的网络，它以IPv6协议作为LoWPAN的网络层协议。6LoWPAN需要满足以下一些需求。
5.2.1IP连通性
LoWPAN网络需要大量的网络地址，同时网络设备能够自动配置地址，并与其他IP网络实现互通。5.2.2拓扑结构
LoWPAN网络能够支持各种网络拓扑，包括网状和星型拓扑。无论是多跳路由的网状拓扑还是星型拓扑，其中的部分节点设备要具有包转发能力，并与采用其他技术的网络实现无缝整合5.2.3包长
由于802.15.4长的限制，LoWPAN网络要求减少过多的报文分片和重组，要求控制/协议报文能够在一个独立的802.15.4格式的顿上承载，5.2.4配置和管理
由于LoWPAN网络设备数量多、性能有限且位置可能不易到达，因此要求协议配置要简单，易于启动，并具有自我诊断能力。网络管理要尽可能少的开销，并具有管理大量设备的能力5.2.5业务发现
LoWPAN网络需要简单的业务发现协议去发现，控制和维护设备提供的业务。5.2.6安全
LoWPAN网络需要一个全面的安全解决方案，而不仅仅是IEEE802.15.4中要求的AES技术。66LoWPAN协议
6.1概述
根据IEEE802.15.4中提出的网络特性，现有的协议均无法完全满足LoWPAN的需求。IPv6协议在地址空间、自动配置、互通能力等多个方面具有优势，可以通过对IPv6进行适配和报头压缩，实现在IEEE802.15.4网络上传输。
IEEE802.15.4定义的物理层数据帧长为127字节，再除去最大帧头，MAC层最大帧长为102字节。如果考虑链路层安全，采用AES-CCM-128加密传输，则只剩下81字节可用。这显然远远小于IPv6定义128C字节包长，所以需要一个分片/重组能力。此外，再除去40字节的IPv6报头，提供给上层协议的就只剩下41字节，在加上上层协议自已的报文头以及分片/重组的开销，用于传输数据的字段就很少，传输效5
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率很低。因此，需要一个6LoWPAN适配层，能够支持IP层数据包的分片/重组和报头压缩。6LoWPAN网络协议栈如图1所示。
应用层
传输层
IPe网络层
GLOWPAN适配具
80215.4MACJ
802154物理层
图16LoWPAN网络协议栈
在6LoWPAN网络中，MAC层和物理层协议主要是IEEE802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，在网络层和MAC层之间增加了一个6LoWPAN适配层，遵循6LoWPAN协议。6LoWPAN适配层主要用于完成IPv6协议对802.15.4网络的适配，提供包头压缩、报文分片/重组等功能，各种功能的报头采用堆栈的方式封装在IPv6载荷外层
6.26LoWPAN适配层和顿格式
6.2.1概述
LoWPAN封装的格式是TEEE802.15.4MAC层协议数据单元中的载荷。LoWPAN的载荷比如一个IPv6报文，紧随在封装报头之后。LoWPAN封装头以堆栈的形式出现，堆栈中的每个报头由报头类型和报头域组成。在LoWPAN封装报头堆栈中，各种报头按照一定顺序排列，网状（L2）寻址、逐跳选项（包括二层广/组播）、分片以及最后的载荷。下图2列举一些典型的报头堆栈IPv6消息
HC1消息
网状类型
分片类型
IPv6报头
LoWPAN封装IPv6报文
HC1报头
LoWPAN封装LOWPANHC1压缩的IPv6报文网状报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要网状寻址的IPv6报文分片报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要分片的IPv6报文网状类型网状报头分片类型
分片报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPAN_HC1压缩的需要网状寻址和分片的IPv6报文网状类型
网状报头广播消息
广播报头
HC1消息
HC1报头
LoWPAN封装LOWPANHC1压缩的需要网状寻址并支持网状广/组播的IPv6报文图26LoWPAN报头堆栈示例
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当在一个报文中出现多个LoWPAN报头，采用堆栈的顺序是网状寻址报头、广播报头、分片报头。在LoWPAN报头的定义中，除了网状寻址和分片，其他都是由消息值、对应的报头域组成的，6.2.2报头类型
表1定义了6LoWPAN报文报头的类型。表1报头类型
类型字段8比特
XXXXXX
00００01
００００１０
01００００
111111
XXXXXX
000XxX
100xxx
报头类型
NALP，非LoWPAN帧
IPv6，非压缩IPv6报头
LOWPAN_HC1，LOWPAN_HC1压缩的IPv6LOWPANBCO，LOWPANBCO广播
ESC，接着又附加的消息字段
MESH，网状报头
FRAG1，分片报头（第一个）
FRAGN，分片报头（后续）
消息报头类型由01两个比特位开头，紧接着的是消息指定类型的报头，如图3所示2比特
6.2.3网状寻址类型和报头
2比特
6比特
1比，1比
4比特
F剩余跳数
指定类型的报头
图3消息报头
源地址、目的地址
图4网状寻址类型和报头
网状寻址类型和报头如图4所示，其中各字段的说明如下：V：=0表示源地址为64比特扩展地址（EUI-64）：=1表示源地址为16比特短地址：-F：=0表示自的地址为64比特扩展地址，=1表示目的地址为16比特短地址一剩余跳数：表示此报文剩余允许经过的节点数，每过一个转发节点，数值都减少，直到为0时丢弃报文；其中，数值0xF保留，表示紧接着的是一个8比特剩余跳数域一源、目的地址：发起端和终点端的链路层地址。6.2.4分片类型和报头
如果一个IPv6报文能够完整放在一个802.15.4帧内，则不需要进行分片，LoWPAN封装也就不包含分片报头，如果一个报文超出了一个802.15.4帧载荷的长度，就需要进行链路分片。除了最后一个片段，其余所有的分片报文长度都是8字节的整数倍。图5描述了分片第一个片段的格式；图6描述了分片的后续片段，其中各字段的说明如下：7
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