IoT中MAC和网络层的问题与挑战

# IoT中MAC和网络层的问题与挑战 ## 1. 引言 物联网（IoT）及其协议是新兴的研究领域。移动互联网、微传感器、超高速计算和机器对机器（M2M）通信系统的快速发展推动了物联网技术的进步。物联网允许基于互联网协议（IP）的设备连接，这些设备能智能协作，为特定应用做出决策。 物联网是多学科融合的异构系统，底层技术如无线技术、普适计算、嵌入式传感器等赋予了其重要性，但也带来了诸多挑战，需要对现有标准进行修改或开发专门的通信协议。本文将探讨物联网在数据链路层和网络层面临的挑战以及适用的协议。 ## 2. IoT与TCP/IP栈 物联网遵循TCP/IP协议架构，并根据应用需求进行定制。物联网面临的一般挑战包括移动性、可靠性、可扩展性、管理、可用性、互操作性、安全性和隐私性，这些挑战源于物联网系统中使用的大量不同平台和技术。 TCP/IP栈的一个缺点是较为复杂，传统IP协议会产生较大的数据分组，需要大量处理能力、足够的内存、更多的处理时间和昂贵的设备。而物联网有时需要快速和近实时的响应，因此许多成熟的技术网络（如ZigBee/Bluetooth）需要简单、快速且节能的协议，IP适配的新协议应运而生。 ### 2.1 IPv6以下适配层的重要性 无线嵌入式设备向IP适配面临诸多挑战： 1. 电池供电的无线设备频繁连接和断开，而IP基于始终连接的设备。 2. 在大覆盖区域通过多跳无线网状网络以经济高效的方式路由设备流量有时很困难。 3. 低功率无线网络带宽和帧大小较低，而IPv6要求每个链路的最大传输单元至少为1280字节，否则需要在IPv6以下提供特定于链路的分段和重组。 4. IEEE 802.15.4等技术基本不支持多播，但在许多IPv6操作中多播是必不可少的。 5. 标准协议可能无法直接与TCP/IP良好配合，例如TCP无法区分因拥塞和信道错误导致的数据包丢失。 互联网工程任务组（IETF）成立的三个工作组为物联网定义了适配层，广泛考虑的协议有IEEE 802.15.4和6LowPAN。 | 对比项 | 网页应用（处理数百/数千字节） | IoT应用（处理数十字节） | 混合场景或无线嵌入式互联网 | | --- | --- | --- | --- | | 应用 | XML<br>HTTP<br>TLS | Web对象<br>CoAP<br>DTLS | Web对象<br>CoAP<br>DTLS | | 传输 | TCP（和/或UDP） | UDP | UDP | | 网络 | 路由活动<br>封装活动<br>IPv6 | 6LoWPAN | IPv6 [RPL] over 6LoWPAN（作为适配层） | | 主机到网络接口（包括数据链路和物理层） | 现有无线技术（如IEEE 802.15.4、IEEE 802.11ah、低功耗蓝牙等） | 现有无线技术（如IEEE 802.15.4、IEEE 802.11ah、低功耗蓝牙等） | 现有无线技术（如IEEE 802.15.4、IEEE 802.11ah、低功耗蓝牙等） | ### 2.2 IP和非IP IoT设备 由于TCP/IP协议套件的开放标准，不同供应商的异构设备和应用可以在现代物联网系统中采用。物联网是将设备连接到互联网，因此设备需要IP地址并使用IP套件与其他设备和服务器交换数据。本地网络中的设备可以使用非IP协议进行本地通信，这些非IP设备可以通过互联网网关与互联网通信。网关是应用层网关，需要用TCP/IP栈重构来自本地网络的数据，以实现与互联网服务的通信。 ## 3. 物理层方面导致的MAC和网络层挑战 物联网支持数百种协议，其中无线协议在物联网发展中起着重要作用。MAC和网络层的复杂性取决于物理层采用的无线技术，物理层存在以下挑战： - **采用现有无线通信技术**：M2M设备通常基于ZigBee、Wi-Fi和Bluetooth等无线协议进行通信，可直接访问互联网或通过网关、GPRS或EDGE访问。因此，现有无线协议在物联网中被采用并进行了必要的小修改。 - **当前技术的局限性**：设备制造商现有的通信协议无法满足M2M的操作要求，多种规则也阻碍了标准化、带宽要求、功率要求和节点数量限制。 - **移动性和切换管理**：这是一个重大挑战，因为这两项任务与位置识别或跟踪任务相关，需要高效的计算。为了在大覆盖区域保持无缝连接，中央控制单元需要管理硬切换和软切换，这对于连续通信和IP管理都很重要。 - **频谱/资源管理**：应用程序必须在有限的带宽内运行，以满足尽可能多的用户或节点的需求。近实时的信道分配也需要快速计算。 ## 4. 具有关键特性和挑战消除的MAC层协议 MAC层面临的具体挑战包括数据吞吐量、可扩展性、延迟、共存性和成本效益解决方案。以下是一些重要的MAC层协议： ### 4.1 IEEE 802.11ah - 亚GHz Wi-Fi IEEE 802.11技术的两个主要局限性为802.11ah技术在M2M通信中的应用打开了大门： - 缺乏节能机制：IEEE 802.11标准未考虑无线传感器网络的能量限制。 - 不合适的频段：现有Wi-Fi频段由于无线范围短和高阻塞损耗，需要使用中间节点，导致场景复杂。 IEEE 802.11ah标准化任务组开发了一种全球无线局域网标准，允许在工业、科学和医疗（ISM）频段使用低于1 GHz的载波频率进行无线访问。该标准具有以下关键特性： - 广泛覆盖：接入点（AP）设备的覆盖范围可达1公里，因为900 MHz无线电波能更好地穿透墙壁和天花板等障碍物。 - 低功耗：低于1 GHz的频率使其更节能。 - 免许可频段：无监管问题。 - 几乎无共存问题。 - 与现有无线标准版本兼容，如IEEE 802.11a/b/g/n。 为了维持Wi-Fi和物联网的扩展范围，IEEE 802.11ah提出了新的PHY和MAC设计，并通过不同的调制和编码方案、空间流数量和保护间隔持续时间来平衡范围、吞吐量和能源效率。 | 索引 | 调制技术 | 码率 | 中等保护间隔（Mbps） | 短保护间隔（Mbps） | | --- | --- | --- | --- | --- | | 0 | BPSK | 1/2 | 0.65 | 0.72 | | 1 | QPSK | 1/2 | 1.3 | 1.44 | | 2 | QPSK | 3/4 | 1.95 | 2.17 | | 3 | 16 - QAM | 1/2 | 2.6 | 2.89 | | 4 | 16 - QAM | 3/4 | 3.9 | 4.33 | | 5 | 64 - QAM | 2/3 | 5.2 | 5.78 | | 6 | 64 - QAM | 3/4 | 5.85 | 6.5 | | 7 | 64 - QAM | 5/6 | 6.5 | 7.22 | | 8 | 256 - QAM | 3/4 | 7.8 | 8.67 | ， ### 4.2 Bluetooth Low Energy 蓝牙协议以低功耗为主要设计考虑因素进行了增强，蓝牙低功耗（BLE）也称为蓝牙智能，主要用于可穿戴物联网设计。其主要特点包括： - 强大的架构支持自适应频率跳变和32位CRC。 - 低数据速率使其适用于仅需交换状态信息的应用。 - 由于小数据块的突发传输、忽略重复数据包以及客户端/服务器模式和主/从模式等，主机处理器可以经常以低功率模式运行。 - 连接建立到数据交换的时间缩短至几毫秒以内。 - 支持广播模式，无需进行连接过程即可发送广告数据包。 - 链路层针对快速重新连接进行了优化，从而降低了功耗。 ### 4.3 IEEE 802.15.4e IEEE 802.15.4（2003）是低速率无线个人区域网络（LR - WPANs）的物理层和媒体访问控制标准，它是ZigBee、WirelessHART等规范的基础，也可与6LoWPAN和标准IP协议一起构建无线嵌入式互联网。 2008年，IEEE 802.15.4e被创建以扩展IEEE 802.15.4并支持低功耗通信，以满足物联网要求。其特定的MAC功能包括： - **帧结构和节能**：帧结构用于调度，告诉每个节点该做什么，节点可以睡眠、传输或接收信息。 - **睡眠模式**：节点关闭无线电以节省功率，并存储所有需要在下一次传输机会发送的消息。 - **传输模式**：发送数据并等待确认。 - **接收模式**：节点在预定接收时间之前打开无线电，接收数据，发送确认，关闭无线电，将数据传递到上层，然后返回睡眠状态。 - **同步**：有基于确认和基于帧的两种同步方法，基于确认的模式可用于保持连接/通信和保证可靠性，基于帧的模式中节点在预定间隔发送空帧。 - **调度**：调度方式没有标准化，可以由管理节点进行集中调度，其他节点只需遵循调度。 - **信道跳变**：引入信道跳变以实现对无线介质的时隙访问，从而实现频率分集，减少干扰和多径衰落的影响。 - **网络形成**：新设备监听广告命令，收到至少一个命令后发送加入请求，在集中式系统中，加入请求被路由到管理节点进行处理，在分布式系统中，加入请求在本地处理。 ### 4.4 ZigBee和基于IEEE 802.15.4的ZigBee低能耗智能 ZigBee是一个成熟的标准协议，ZigBee 3.0将各种ZigBee无线标准统一，为物联网奠定了基础。它具有低功耗、高安全性、鲁棒性和高可扩展性等优点，支持基于AODV协议的网状路由。 #### 4.4.1 ZigBee网络和管理 ZigBee网络由协调器、路由器和终端设备组成： - **协调器**：需要首先安装以建立ZigBee网络服务，选择信道和PAN ID，帮助路由数据，允许路由器和终端设备加入，由市电供电，不进入睡眠模式。 - **路由器**：加入网络后可以允许其他路由器和终端设备加入，由市电供电，不进入睡眠模式。 - **终端设备**：不能允许其他设备加入PAN，也不能协助路由数据，由电池供电，可能进入睡眠模式以降低电池消耗。 #### 4.4.2 ZigBee网络形成过程 协调器首先进行能量扫描，寻找合适的空闲RF信道，然后分配PAN ID（手动或动态）和网络地址给自己。接着，协调器发送广播信标请求帧进行信标扫描或PAN扫描，了解附近路由器和终端设备的PAN ID以及是否允许加入。路由器或终端设备可以通过发送关联请求加入网络，协调器会响应关联响应。 ### 4.5 WirelessHART HART协议是智能过程仪表中最广泛使用的现场通信协议，WirelessHART是在IEEE 802.15.4 PHY之上运行的数据链路协议，采用时分多址（TDMA）的MAC层。它具有安全性和可靠性，使用先进的加密技术计算消息完整性。 其架构包括网络管理器、安全管理器、网关、无线设备、接入点、路由器和适配器。标准提供端到端、逐跳或点对点的安全机制。 ### 4.6 LoRaWAN LoRaWAN是一种专为长距离、低功耗广域网（LPWANs）设计的无线技术，具有低成本、移动性、安全性和双向通信等特点。它基于Semtech的长距离（LORA）无线电调制技术和特定的MAC协议，优化了低功耗和可扩展性。 #### 4.6.1 LoRaWAN架构和操作 LoRaWAN网络采用星型拓扑结构，网关是端设备和后端中央网络服务器之间的透明桥梁。端设备使用单跳无线通信与一个或多个网关通信，网关将消息转发到后端的节点和应用程序。 LoRaWAN有三种类型的端设备： - **双向端设备（Class A）**：每次上行传输伴随两个短的下行接收窗口，端设备可以根据自身需求进行传输，服务器的下行通信必须等待下一次预定的上行传输。 - **具有预定接收时隙的双向端设备（Class B）**：除了Class A的随机接收窗口外，还在预定时间打开额外的接收窗口，网络可以在任何接收时隙向节点发送下行数据包。 - **具有最大接收时隙的双向端设备（Class C）**：端设备几乎连续打开接收窗口，仅在传输时关闭。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(LoRaWAN网络):::process --> B(网关):::process A --> C(端设备):::process B --> D(网络服务器):::process C --> B D --> E(应用程序):::process ``` ## 5. 其他MAC层协议 ### 5.1 Z - Wave Z - Wave是一种低功耗MAC协议，用于无线控制照明、安全系统等物联网应用。它具有以下特点： - 覆盖范围约30 - 100米。 - 设计用于可靠、低延迟地传输小数据包，数据速率高达100 kbps，消息可以在节点之间跳变多达四次。 - 使用15个免许可ISM频段，在不同国家使用不同频率，采用曼彻斯特信道编码。 - 使用CSMA/CA进行多址访问和ACK消息进行可靠传输，遵循主/从架构，主设备发送命令给从设备并处理整个网络的调度。 - 采用源路由网状网络架构，设备可以通过中间节点进行通信，克服多径环境中的各种障碍物或无线电死角。 每个Z - Wave网络由NetID（也称为HomeID）标识，每个设备由NodeID/地址标识。 ### 5.2 G.9959 G.9959是一种短距离窄带通信技术，具有物理层和MAC层规范及协议，专为低带宽、低成本、半双工可靠无线通信而设计。 物理层负责为物理信道分配RF配置文件、激活和停用无线电收发器、数据帧的传输和接收、空闲信道评估、频率选择和接收帧的链路质量等。 MAC层包括唯一的网络标识符、独特的信道访问机制、冲突避免机制和回退时间、确认和自动重传MAC PDU以保证可靠性、专用唤醒模式以节省节点功率和帧验证等功能。 ### 5.3 Weightless Weightless是一种用于物联网应用的无线低功耗广域网（LPWAN）技术，由非营利全球组织Weightless特殊兴趣小组（SIG）设计。它有三种开放标准：Weightless - N、Weightless - P和Weightless - W。 | 协议版本 | 特点集 | 范围 | 电池寿命 | 终端成本 | 网络成本 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | Weightless - N | 简单 | >5 km | 9 - 10年 | 非常低 | 非常低 | | Weightless - P | 完整 | >2 km | 3 - 8年 | 低 | 中等 | | Weightless - W | 广泛 | >5 km | 3 - 5年 | 中等 | 中等 | Weightless系统由网络子系统和用户终端组成，帧结构类似于WiMAX系统，采用TDD拓扑。帧由前导码、下行部分和上行部分组成，通常持续约2秒，帧被划分为时隙，是资源分配给终端的最小长度。网络支持移动性，通过自动路由终端消息到正确的目的地。 ## 6. 具有关键特性和挑战消除的网络层协议 网络层的主要功能是确保正确使用MAC子层，并为上层（主要是传输层和应用层）提供合适的接口。路由和IP封装是网络层的两个基本方面，它还需要根据网络能力控制分段，并实现互联网络功能。 ### 6.1 IoT网络中的挑战 物联网系统可能部署在恶劣环境中，如森林、水下、战场等，因此必须依靠无线网状技术进行通信，这带来了以下挑战： - **节能需求**：物联网节点不能一直处于开启状态以节省电池电量，这给TCP/IP协议架构带来了更多挑战。网状网络通常采用多链路子网模型，而原始IP寻址方案不支持该模型。 - **广播和多播成本高**：在电池供电的网络中，广播和多播操作成本高昂，因为单个多播会涉及一系列多跳转发，导致许多节点被唤醒。 - **可扩展路由机制**：IP通信在网状网络中需要可扩展的路由机制，同时还需要实现非IP和IP网络之间的通信。 - **定制化控制需求**：TCP提供的可靠、有序字节流传输通常不适合需要定制化控制和数据优先级的应用。 ### 6.2 网络层路由协议 #### 6.2.1 RPL 路由协议低功耗和有损网络（RPL）为低功耗和有损网络（LLNs）提供了一种控制不同流量的机制，支持路由度量、目标函数和安全规范。 LLNs中的路由器和互连都受到限制，路由器通常在处理能力、内存和电池电量方面受到约束，而互连则受到高损耗率、低数据速率和不稳定性的影响。RPL由IETF的路由低功耗和有损网络（ROLL）工作组开发，旨在设计一种适用于LLNs的路由协议，支持各种链路层，而不特定评估链路层的特性。 RPL的特点和工作方式如下： - **网络连接**：网络节点通过多跳路径连接到一组根设备，根设备通常负责数据收集和协调任务。 - **有向无环图（DODAG）**：RPL是一种距离向量路由协议，使用IPv6，网络设备像生成树一样连接。它创建一个优化的目标导向有向无环图（DODAG），考虑链路成本、节点属性/状态信息和目标函数（OF）来计算路由度量。 - **控制消息**：RPL定义了四种类型的控制消息用于拓扑维护和数据交换，包括DODAG信息对象（DIO）、目标广告对象（DAO）、DODAG信息请求（DIS）和DAO - ACK。 - **Rank计算**：RPL尝试避免路由环路，并计算节点相对于DODAG根的位置，称为Rank。Rank随着节点远离根而增加，它可以基于简单的跳数或其他约束条件计算。 - **发送率调整**：RPL通过扩展Trickle算法调整DIO消息的发送率，在稳定链路中减少控制消息的发送，在动态拓扑中更频繁地发送控制信息。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(RPL网络):::process --> B(根设备):::process A --> C(节点):::process C --> B C --> D(其他节点):::process D --> B ``` #### 6.2.2 CORPL 认知和机会主义RPL（CORPL）是RPL的扩展，专为认知网络设计。它使用DODAG拓扑生成技术，但对RPL进行了两项修改。在认知网络中支持主用户和次用户（机会主义用户），CORPL采用机会主义转发方法，通过选择多个转发器并从中选择最佳下一跳来满足次网络的效用要求。每个节点维护一个转发集，而不仅仅是其父节点，并使用DIO消息更新其邻居的变化。 ### 6.3 网络层封装协议 #### 6.3.1 6LoWPAN 6LoWPAN是第一个也是最常用的封装协议，它是IETF在RFC 6282中定义的开放标准，代表IPv6适配层，允许短数据包网络交换IP数据包。它具有以下特点： - **高效封装**：能够将IPv6长报头高效封装在小数据包中。 - **支持多种特性**：支持不同的地址长度、低带宽、不同拓扑、低成本、可扩展网络、移动性、不可靠性和长睡眠时间。 - **头压缩和分段**：提供头压缩以减少传输开销，进行分段以满足所需的帧长度。 - **四种报头类型**：使用四种类型的报头，分别为无6LoWPAN报头（00）、调度报头（01）、网状报头（10）和分段报头（11）。 #### 6.3.2 6LoWPAN用例 为了在如802.15.4等网络上高效发送IPv6数据包，6LoWPAN作为IPv6网络层和802.15.4链路层之间的适配层发挥作用。它通过在发送端对IPv6数据包进行分段，并在接收端进行重组，解决了数据包大小不匹配的问题。同时，它还提供压缩机制，减少IPv6报头大小，从而降低传输开销和能耗。 一个典型的基于6LoWPAN的物联网网络连接到IPv6网络使用边缘路由器，边缘路由器负责处理以下三个操作： - **数据交换**：处理6LoWPAN设备与互联网/IPv6之间的数据交换。 - **本地数据交换**：处理6LoWPAN内设备之间的本地数据交换。 - **网络生成和维护**：生成和维护6LoWPAN网络。 6LoWPAN网络中通常包含路由器和主机两种设备类型。路由器负责将数据路由到6LoWPAN网络中的其他节点，形成分布式网络场景；主机是终端设备（或传感器网络中的节点），不能将数据路由到其他设备，主机也可以是睡眠设备，定期唤醒以检查其父节点（路由器）是否有数据，从而实现极低的功耗。 ## 7. 结论 通过对MAC和网络层各种挑战的研究，可以对上述物联网应用的协议进行优化和增强。物联网的新协议是根据实际情况和需求开发的，主要的发展集中在IP层，之后的一切都与互联网相契合。这凸显了开发PHY - MAC和相关网络层以及适配层的重要性，这些协议可能是非IP的。本地低功耗网络的物联网是未来的发展方向，将给人类生活带来变革。当然，上层协议以及安全方面同样重要，它们为应用增添了服务质量。