第三章 6LoWPAN 於 IEEE 802.15.4 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 三
3.4 結論
此章節以數值分析與軟體模擬之方式，比較 IEEE 802.15.4 所定義之 868 MHz、
915 MHz、及 2.4 GHz 三種傳輸頻段，以了解何種傳輸方式能提供較好的傳輸效 能、並且適用於 6LoWPAN 環境下提供較佳效率的 IP 封包傳輸。首先本章節以 數值模型分析 IEEE 802.15.4 un-slotted CSMA/CA 機制，並分別分析 MAC 層與實 體層的效能比較，最後藉由 PRISM 狀態機模擬器執行模擬所得之結果顯示，2.4 GHz 頻段所擁有之傳輸效能優於 868 MHz 與 915 MHz 頻段，其最主要原因是 868/915 MHz 之單位時間所承載的資料量只有 2.4 GHz 的四分之一，因此 2.4GHz 較利於使用在 6LoWPAN 環境下傳輸 IPv6 封包，基於本章之研究分析的結果，
後續之研究章節中，將主要採用 IEEE 802.15.4 的 2.4 GHz 頻段為主要之分析對象，
以了解 Route-over 與 Mesh-under 在 6LoWPAN 中的效能表現。
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第四章
6LoWPAN 路由機制於理想通道環境下之傳輸效能分析
6LoWPAN 定義為將 IPv6 的封包用於以 IEEE 802.15.4 為傳輸依據的 LoWPAN 上，主要會遭遇到的問題是，IPv6 的 MTU(1280 bytes)遠大於 IEEE 802.15.4 的資 料鏈結層所能乘載的資料量(127bytes)。因此，為了解決此項問題 ，6LoWPAN 在網路層與 MAC 層之間提出了 adaptation 層，其中一項主要功能為負責壓縮 IPv6 的表頭以減少在 IEEE 802.15.4 底層傳輸的負荷，另一項重要任務是將 IPv6 的封 包分割成多個符合 IEEE 802.15.4 大小的 fragments，使得 IPv6 封包能由底層的
IEEE 802.15.4 正常傳輸，並在目的端將所有收到的 fragments 重組回原本的 IPv6 封包。
根據 6LowPAN 路由決策層次的不同，6LoWPAN 的路由機制主要可以分成二 種[5][6]，分別為 Route-over 以及 Mesh-under 路由機制，前者為 IP 網路的路由方 法，其路由決策在 Network 層確定；Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決 策是於 adaptation 層確定，兩種路由機制除了路由決策層不同之外，最主要之差 異在於處理 fragmnet 以及轉送的方式不同，本章節將逐一分析其相互間的差異。
本章節將延續前一章節分析 IEEE 802.15.4 MAC 層所提出的分析模型，進一 步提出適用於 6LoWPAN 二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 傳輸效能的分析
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模型，同樣地，透過數值分析得到二種路由機制之 IP 封包成功傳輸機率並分析 比較二者之效能差異。
4.1 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 路由機制介紹
上述提及 6LoWPAN 的路由機制主要可以分成 Route-over 與 Mesh-under 二種，
本節將根據 6LoWPAN 之定義，為二種路由方法繪制流程圖，並詳細的說明各別
IEEE 802.15.4 MAC Layer Network Layer Adaptation Layer
Routing decision
IEEE 802.15.4 PHY Layer
6LoWPAN Mesh-under Routing Scheme
Application Layer Transport Layer
IEEE 802.15.4 MAC Layer Network Layer Adaptation Layer
Routing decision
IEEE 802.15.4 PHY Layer
6LoWPAN Route-over Routing Scheme
圖 4-1、Route-over 與 Mesh-under 的路由比較圖
當起始端節點有 IPv6 的封包要被傳送時，網路層將先檢查路由，再經由
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adaptation 層將 IPv6 封包分割成數個符合 IEEE 802.15.4 規格之 fragments，然後 將這些 fragments 逐一傳送出去。然而，每經過一次節點轉發，所有來自於同一 個 IPv6 封包的 fragments 亦透過 adaptation 層被重組回原 IPv6 封包並向上層送，
以供網路層檢視其 IP 目的位址，之後再經過分割並轉發給下一跳的節點，因此 每一跳皆需執行分割與重組工作，直到抵達目的端節點，也因為每一跳數收到後 皆會重組回 IPv6 封包並檢查，雖然相對較耗時，但優點是就算傳送失敗，僅需 要與上一跳節點要求重傳即可。
因此可將 Route-over 機制可考慮成 hop-by-hop 分割與重組的路由機制，其運 作流程圖繪製如圖 4-2、4-3，分別表示 Route-over 之傳送端與接收端的運作流程 圖。
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圖 4-2、Route-over 機制之傳送端運作流程
封包由產生至傳送之步驟已如前述所提及，由於 Route-over 為延伸 IP 的路由 方法至 6LoWPAN 中，因此，當所有 fragments 均已被送出後，若接收端無法重 組回原 IPv6 封包時，則需執行重傳。
接收端收到所有 fragments 之後，在 adaptation 層執行重組工作，再經網路層 檢查其目的端 IP 位址，以確認是否需再次轉發，若需要轉發到下一跳節點，則 重覆封包分割與後續的傳輸工作；如果當前節點即為目的端節點，則無需轉發，
封包將上傳至應用層。
Network Layer
Fragmenting an IP packet into f number of
IEEE 802.15.4 frames
f fragments perform MAC Contention
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 PHY Look up the
routing table
Forwarding to next hop
Retransmission ? N Done
Y Upper layer
An IPv6 packet is forwarded Transport Layer
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圖 4-3、Route-over 機制之接收端運作流程
4.1.2 Mesh-under 路由機制
如 4.1.1 節之圖 4-1 所示，Mesh-under 為 WSN 路由的延續，其路由決策由
adaptation 層執行。當起始端節點將 IPv6 封包分割成數個 fragments 後，藉由 Mesh 表頭中的位址資訊，正確傳送給下一跳的節點，路由節點不需將收到的 fragments 重組，只需直接將 fragments 轉送至下一跳，因此 Mesh-under 路由將較 Route-over 省時，待所有 fragments 到達目的端節點後並重組回 IPv6 封包，因此 Mesh-under
Network Layer
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 PHY
Receiving f fragments from previous hop
Reassembling to IPv6 Packet ? Previous hop
performs
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路由機制可視為 end-to-end 的方式執行 IP 封包之分割與重組，倘若有任一個
fragment 在多跳傳輸途中遺失，如此，目的端節點將無法組回 IPv6 封包，重傳之 封 包 必 頇 由 起 始 端 節 點 重 新 發 送 所 有 的 fragments 。 圖 4-4 、 4-5 分別 表示 Mesh-under 在傳送端以及接收端的運作流程圖。
圖 4-4、Mesh-under 機制之傳送端運作流程
Network Layer
Fragmenting an IP Packet and adding mesh header into f
fragments
f fragments perform MAC Contention
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 Forwarding PHY
Receiving
Acknowledgement ? Done
N Y
Upper layer
An IPv6 packet is forwarded
Transport Layer
Retransmission
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圖 4-5、Mesh-under 機制之接收端運作流程
Mesh-under 的傳送端節點在傳送 fragment 後，會收到來自 IEEE 802.15.4 MAC 層的 Acknowledge 封包，確定單一 fragment 已正確送達下一跳之節點。倘若目的 端節點重組不回原 IPv6 封包，在 Mesh-under 的重傳機制中，起始端將重傳所有 的 fragments 至目的端。
Network Layer
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 PHY Upper layer
N Y
Receiving f number of fragments from previous
hop Reassembling to
IPv6 Packet ? Source waits ack
timeout
Y N
Transport Layer
The current node is destination?
MAC contention Retransmission from
source
Forwarding to next hop
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圖 4-6、Route-over 與 Mesh-under 之網路拓樸
圖 4-6 為 6LoWPAN 中 Route-over 與 Mesh-under 二種路由機制之網路拓樸示 意圖，倘若 6LoWPAN 中的終端裝置要傳送封包給其它終端，若選擇 Route-over 路由機制，則中間節點扮演的角色為 network router，而 Mesh-under 路由機制之 中間節點則可視為 WSN 的路由節點。
表 4-1、Route-over 與 Mesh-under 比較表
6LoWPAN 路由機制 Route-over Mesh-under
路由決策層 網路層 Adaptation 層 R LoWPAN Router
Edge Router
M Mesh Node
D LoWPAN Device
D D
D
D
D
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4.2 以數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 之傳輸效能
本章節將延續第三章之表示式(14)，也就是藉由 Markov chain 分析 IEEE 802.15.4 MAC 層的 un-slotted CSMA/CA 機制，所得到之節點可成功存取通道進 行傳輸的機率 Ptr，在此將之視為單一 fragment 的成功傳輸率， 並根據 6LoWPAN
方程式(13)、(14)中，假設變數 k 為重傳的上限次數 macMaxFrameRetries，其 值為 3；f 為 fragment 的個數，h 則是多跳傳輸之跳數。
由於 Route-over 路由機制以 hop-by-hop 方式進行 IP 封包的分割與重組，故 每經過一跳，機率又重新回復為 1，因此傳輸機率並不會受到跳數的影響而降低。
在 Mesh-under 路由機制下，所有 fragment 在起始端分割後，僅最後在目的 端重組回 IP 封包，f 表示 IP 封包的 fragments 數量，這些 fragments 皆需經過 h 個跳數傳輸。因此，方程式(14)代表有 f 個 fragments 經過 h 個跳數後均要傳輸成 功，所以其封包的成功傳輸機率將會依 fragment 數量與 h 跳數增加而逐漸降低。
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4.3 傳輸效能之數值分析結果
本研究章節同樣使用了 PRISM 狀態機模擬器為理想通道環境下之 Route-over 與 Mesh-under 的傳輸效能模型執行數值分析，其參數表如下所示。
表 4-2、傳輸效能分析之參數表 IPv6 封包長度 1280 bytes
fragment 個數 14
網路中之競爭節點數 3, 5, 以及 7 多跳傳輸之跳數 1 至 7
將 IPv6 的封包 1280 bytes 扣掉表頭後，經 adaptation 層平均分配給 IEEE
802.15.4 大小的 MAC payload 後，fragment 個數為 14，此外；由於一個星狀拓樸 的 IEEE 802.15.4 節點所能感測到的競爭節點數約為 3 至 7 個，因此與前一章節 相同，本章節將分析於 3、5、以及 7 個競爭節點與多跳數下，Route-over 與 Mesh-under 之 IP 封包成功傳輸率，數值分析結果分別如圖 4-7、4-8 所示。
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低 IP 封包成功傳輸率，但卻不會因跳數增加而導致 IP 封包成功傳輸率下降，這 是由於每一跳皆需執行重組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆會回復到 1，所 以於圖 4-7 中 Route-over 路由機制呈現較圖 4-8 Mesh-under 路由機制穩定的結 果。
4.4 結論
根據 6LowPAN 的路由決策層級的不同，6LoWPAN 的路由機制主要可以分為
Route-over 以及 Mesh-under 二種路由機制，前者為 IP 網路的路由方法，其路由 決策在 Network 層確定；Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決策是於
adaptation 層確定。兩種路由機制除了路由決策層不同之外，最主要之差異在於 處理 fragment 以及轉送的方式不同，根據 Route-over 與 Mesh-under 處理 fragment 方式的差異 ，本研究分別將二種路由機制視為 hop-by-hop 及 end-to-end 的傳輸 方式加以分析。
此外；本章節延續了前一章節分析 IEEE 802.15.4 MAC 層所提出的數值模型，
進一步提出分析 Route-over 與 Mesh-under 傳輸效能的模型，同樣地，透過數值分 析得到二種路由機制之 IP 封包成功傳輸機率並比較二者之傳輸效能。
由分析結果得知，當競爭節點逐漸增加，二種路由機制之 IP 封包傳輸成功率 皆明顯降低，這是由於當競爭節點數較多，並非所有節點都能在 CSMA/CA 機制
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中的有限 backoff 次數內成功存取到通道。此外；當跳數逐漸增加，Mesh-under 的 IP 封包傳輸成功率也隨之下降，而 Route-over 卻不會因跳數增加而導致 IP 封 包的成功傳輸率下降，這是由於 Route-over 路由機制在傳輸時，每一跳皆執行重 組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆回復到 1，所以 Route-over 於分析圖中呈 現為較穩定之結果，雖然由分析結果可得知，當競爭節點數較多並且跳數也較多 的情形下，Route-over 路由機制會比 Mesh-under 有較佳的傳輸效能，但卻相對地 要消耗較多的時間執行每一跳的分割與重組工作。
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第五章
6LoWPAN 路由機制於非理想通道環境下之傳輸效能分析
在上述研究章節已介紹 6LoWPAN 即是將 IPv6 導入 WSN 中作結合，因此底 層採用的是 IEEE 802.15.4 的通訊協定為基礎，而 IEEE 802.15.4 所定義的三種頻 段中，又以 2.4 GHz 頻段所擁有之傳輸效能較佳，故 6LoWPAN 的封包採用 2.4 GHz 頻段作為傳輸媒介是較為合適的選擇。
但是，由於 2.4GHz 是一個被普遍使用的頻段，其頻率範圍介於 2.400 ~ 2.4835 GHz，美國聯邦通訊委員會 (Federal Communications Committee)將之定義為 ISM (Industrial, Scientific and Medical) Band，顧名思義為預留給工業、科學及醫療使 用的免費頻段，沒有任何使用上的限制，因此，除 IEEE 802.15.4 之外，目前幾
但是，由於 2.4GHz 是一個被普遍使用的頻段，其頻率範圍介於 2.400 ~ 2.4835 GHz，美國聯邦通訊委員會 (Federal Communications Committee)將之定義為 ISM (Industrial, Scientific and Medical) Band，顧名思義為預留給工業、科學及醫療使 用的免費頻段，沒有任何使用上的限制，因此，除 IEEE 802.15.4 之外，目前幾