第一章 簡介
1.2 論文架構
本論文使用Contiki OS作為6LoWPAN環境之開發平台，透過IPv6 UDP的封包 傳輸方式來進行效能分析，並使用分析之結果提出以接收訊號強度為RPL路由建 構方式，以及在有損網路中進行IPv6 MTU之動態調變機制。
本論文的架構如下：
第二章將針對相關研究做一分析與探討，將討論6LoWPAN中的路由機制，以 及RPL路由中相關路由判斷機制之研究，並分析與歸納相關的文獻以及技術方 法。
第三章將根據在理想環境中，以Contiki OS為基礎進行6LoWPAN的傳輸效能 分析實驗，評估IPv6封包長度對於6LWPAN傳輸效能之影響，透過sniffer分析IPv6 封包於IEEE 802.15.4下的傳輸方式，並在理想環境中透過傳送IPv6 UDP封包，以
single hop的end-to-end傳送方式，評估透過Contiki OS所建構之6LoWPAN環境下 的Throughput與Goodput。
第四章節為在非理想環境下評估評接收訊號強度對於6LWPAN傳輸效能之影 響，首先將會分析在不同接收訊號強度下的封包遺失率，計算出在非理想通到環 境下之Throughput與Goodput，分析Route over的封包傳送方式在多跳環境下的傳 輸效能。
在論文第五章中，將以第三、四章節之分析結果，提出於RPL中以接收訊號
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強度為基礎的路由建構方式，並針對於不同接收訊號下之效能給予等級之分，且 當路由建置完成後，針對該傳輸路徑做IPv6 MTU之動態調變，來提升IPv6資料量 之利用率，並於最後對本研究提出之方法做模擬之分析研究。
第六章節則是本論文之結論以及未來之研究方向。
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第二章
文獻探討
2.1 無線感測技術介紹
本研究將以 Zigbee 為基礎之無線感測網路作為 6LoWPAN 無線感測網路平台 的主要通訊技術，而 Zigbee 的 Data-link Layer 則是採用 IEEE 802.15.4[1]作為技 術核心。IEEE 802.15.4 標準有可細分為實體層(PHY Layer)和媒體存取控制層
(MAC Layer)，並作為多種低耗電之網路通訊技術的底層協定之基礎，特別是在 無線感測網路的架構上。ZigBee 是一種低傳速率、短距離的無線網路協定，建立 在 IEEE 802.15.4 標準的實體層(PHY)和媒體存取控制層(MAC)之上。Zigbee 不僅 支援多種網路拓樸如星型網路(Star Network)、點對點(Peer to Peer Network)、叢集 網路(Cluster Network)和網狀網路(Mesh Network)等，同時也提供網路層(Network Layer)、應用層(Application Layer)和安全服務提供層(Security Layer)。近年來 Zigbee 也大量被應用於工業監控、儀表控制、商業大樓自動化控制、家庭日常生 活監控和消費性電子商品之上。
2.2 6LoWPAN
隨著感測技術及無線感測網路的蓬勃發展，物聯網(Internet Of Things：IOT) 已成為近年來熱門之議題，隨著物聯網之發展，萬物接連網的概念越來越普及，
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相關之應用也不斷被提出，然而早期無線感測網路缺乏與網際網路相連的通訊協 定標準，因此為了讓感測網路與網際網路互通，IETF 訂定了 6LoWPAN (IPv6 over
Low power Wireless Personal Area Network)[2]這個標準，由於感測節點須具備有與 網路溝通之能力，但佈建一個大型之感測網路動則上百個或上千個節點，對於現 行的 IPv4 位址已不敷使用，在未來若需要更多的感測節點，且每個節點將分配 一組 IP 位址，IPv4 一定不可行，因此使用 IPv6 作為定址的方式，可滿足無線感 測節點在定址與聯網之功能，以 IPv6 通訊協定為基礎，並採用 IEEE 802.15.4 具 低速率、低功耗的網路裝置與網際網路溝通之標準，主要目的是使得 IPv6 之封 包可以在 IEEE 802.15.4 標準下傳輸，6LoWPAN 以 IEEE 802.15.4 標準作為資料 之傳輸，其 PHY 層與 MAC 層皆採用 IEEE802.15.4 之標準，如表 2-1 所示，由於
IPv6 所定義之最大傳輸單位(Maximum Transmission Unit, MTU)為 1280 bytes，遠 大於 IEEE 802.15.4 data link 層所能傳輸之最大傳輸單位 128 bytes，為了解決此問 題，IETF 於 Network 層與 IEEE 802.15.4 MAC 層中提出了 Adaptation 層，Adaptation 層提供了 IPv6 封包的表頭壓縮(header compression)、分割(fragmentation)以及重組 (reassembly)的功能，分別減少了傳輸的負載、將 IPv6 分割成符合底層 IEEE 802.15.4 之傳輸封包，以及將 IEEE 802.15.4 之封包重組回 IPv6 之封包與網路連 結。訂立 6LoWPAN 協定的用意，主要是提供無線感測器網路中的每個無線感測 節點(Sensor Node)都能在網際網路擁有一個自屬的獨立 IP 位址，使網際網路的各
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種應用能直接應用於無線感測器網路上。在 6LoWPAN 中路由的方式分為
Route-over 與 Mesh-under 兩種[3][4]。
表 2-1、6LoWPAN Protocal Stack Application Layer
Transport Layer (TCP / UDP) Network Layer (IPv6) Adaptation Layer (6LoWPAN)
IEEE 802.15.4 MAC Layer IEEE 802.15.4 PHY Layer Route-over：
Route-over 為 Network 層中的路由機制，使用 IP 標準進行資料傳輸，當兩的 6LoWPAN 節點須透過 IPv6 進行網路溝通時，則需使用 Route-over 之機制，來源 節點透過 Adaptation 層將 IPv6 封包切割成數個符合 IEEE 802.15.4 封包大小的片 段，藉由 Routing Table 之資訊將片段封包傳至下個節點，下個節點則將封包送至 Adaptation 層進行重組，若 Adaptation 層可將片段重組成 IPv6 封包，則藉由 Network 層進行封包傳輸，此為 hop-by-hop 的封包分割與重組，當有任何一個片 段封包因為遺失而造成重組失敗時，則向上一個節點要求整個 IPv6 封包重傳，
直到 IPv6 封包片段完整進行下一跳之傳送，此種方法雖造成傳輸時間之延遲，
但可確保封包完整傳輸至目的地。
Mesh-under：
Mesh-under 屬於 Adaptation 層中的路由機制，主要用於 6LoWPAN 內部節點
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之封包傳送，並無使用任何到網路層之 IP 路由，從 Network 層送來的封包將會 被切割成符合 IEEE 802.15.4 的封包大小之片段封包，此片段封包將可透過不同 條路徑進行傳送，中間的節點只進行轉發之動作，片段封包將在目的地節點進行 封包之重組，封包被送往 Adaptation 層進行重組，若有片段封包在傳輸過程中遺 失，目的地節點將會要求來源端節點重傳該完整封包，重複此動作直到片段封包 可重組成功，此方法雖可降低封包傳送之延遲，但若有任一片段封包遺失，可能 將導致更大時間之延遲，因此研究將使用 Route-over 路由機制作為 6LoWPAN 的 主要路由機制。
2.3 6LoWPAN 封包格式
為了使 IPv6 應用於 IEEE 802.15.4 的底層協定，其中的挑戰即為 IPv6 要求支 援 1280 bytes 的 MTU，如圖 2-1 Full UDP/IPv6 (64-bit addressing)所示，在 IEEE 802.15.4 標準的規範中，MAC 層的 MTU 只有 127 bytes，扣除 25 bytes 的 fram payload(MAC header 21 bytes + FCS 4 bytes)，MAC 層所能附載的 payload 長度僅 剩餘 102 bytes，若再扣除 IPv6 表頭長度 40 bytes 以及 8 bytes 的 UDP 表頭，實 際所能運用的 payload 將僅有 54 bytes。因此為了能夠在 IEEE 802.15.4 上更有效 率的傳輸 IPv6 封包，表頭壓縮是一個很好的解決方案，為了對 IPv6 表頭進行壓 縮 ， IETF 訂 定 了 兩 種 IPv6 表 頭 壓 縮 方 法 LOWPAN_HC1 (RFC 4944) 與 LOWPAN_IPHC(draft-ietf-6LowPan-hc-06)[5]，如表 2-2 與表 2-3，最常見的表頭
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壓縮方式，如圖 2-2 中 Minimal UDP/6LoWPAN (16-bit addressing)所示，其將原 本 40 bytes 的 IPv6 表頭壓縮成 2 bytes，UDP 壓縮為 4 bytes，此外使用 16-bit 的
short address，亦即減少了 MAC 表頭長度，其 MAC 所能附載的 payload 長度高 達 108 bytes，但是 HC1 的壓縮法僅適用於本地鏈路位址(Link-local address)的網 路，即為 FE80 開頭的 IPv6 位址(FE80：：/10)，因此無法用於 LoWPAN 網路與 網際網路溝通之應用。所以本研究使用 LOWPAN_IPHC 的壓縮方法可有效壓縮 Link-local 與 global 位址。
圖 2-1、Full UDP/IPv6 (64-bit addressing)
圖 2-2、Minimal UDP/6LoWPAN (16-bit addressing)
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表 2-2、IPv6 Header Compression inLOWPAN_HC1
IPv6 Field
Original
Compression manner
IP Version 4 0 The value is 6 for all packets.
Traffic Class 8 0 The value is assumed to be zero.
Flow Label 20 0 The value is assumed to be zero.
Payload Length 16 0 Can be inferred from layer 2 or datagram size of the fragmented packet.
Next Header 8 2 It has three possibilities (UDP/TCP/ICMP).
Hop Limit 8 8 Uncompressed.
Source Address
& Destination Address
128
0
They are link local address; the prefixes can be inferred from link local prefix while the interface identifier can be inferred from layer 2 address.
128 Uncompressed link local or global address.
表 2-3、IPv6 Header Compression in LOWPAN_IPHC
IPv6 Field
Original
Compression manner
IP Version 4 0 The value is 6 for all packets.
Traffic Class&
Flow Label 28 0,1,3,4 These fields can be completely or partially compressed.
Payload Length 16 0 Can be inferred from layer 2 or datagram size of the fragmented packet.
Next Header 8 0,8 This field can be compressed based on predefined values.
Hop Limit 8 0 This field can be compressed based on predefined values.
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Source Address
& Destination Address
128
0
They are link local address; the prefixes can be inferred from link local prefix while the interface identifier can be inferred from layer 2 address.
16,64 Partially compressed link local or global address.
128 Uncompressed link local or global address.
2.4 ATmega128RFA1 無線微處理器
ATmega128RFA1[6]為 Atmel 在 2010 年所推出的低功耗 CMOS 8 位元無線微 處理器(MCU)，其中採用 AVR 增強性 RISC 架構與 2.4GHz ISM 頻段的無線收發 器，其輸送量最高可達 1 MIPS per MHz，因此可大幅提升無線資料傳輸速率從原 250 kb/s 至 2 Mb/s，並有高接收靈敏度(-100dBm)和高發送功率(達 3.5dBm)的特性。
ATmega128RFA1 微處理器主要能應用於 ZigBee / IEEE 802.15.4-2006/2003 協定的 2.4GHz ISM[7]頻段、RF4CE[8]、SP100[9]、WirelessHAR[10]與 IPv6/6LoWPAN[11]
等協定下。圖 2-3 是以 ATmega128RFA1 晶片所設計之無線微處理控制器平台之 電路參考設計圖，因 ATmega128RFA1 為一新一代的無線整合晶片，因此電路中 周邊主、被動訊號處理元件較少，具開模成本低、低耗電量等優點，相當適合本 計畫中用於開發 IEEE 802.15.4 低耗電的無線傳輸設備與相容 6LowPAN 新一代物 聯網通訊協定設備，且與目前絕大部分之 Zigbee 設備，如 CC2530、Xbee Serial 2 等相容。
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圖 2-3、ATmega128RFA1 擴展特性應用之電路設計圖 [6]
2.5 6LoWPAN 感測節點開發平台－Zigduino
Zigduino 設備為以 ATmega128RFA1 微處理機所開發並相容於 Arduino[12]架 構之嵌入式開發平台，因此其具有無線微處理控制器作為 IEEE 802.15.4 無線訊 號之傳送。Arduino 一個「開放式硬體（open source）」架構，它提供了一個基於
C/C++的程式語言控制的硬體架構，並且提供相容於 Windows, Mac OS X 和 Linux 等跨平台環境的系統開發工具。移植 Arduino 開發架構至 ATmega128RFA1 微處 理機上，除了可作為獨立運作的微電腦訊號分析與控制器之外，它也能透過數位
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與類比處理單元與許多可程式化模組及感測元件連結並提供 Zigbee/IEEE802.15.4 通訊收器與物聯網系統相連結。
2.6 非理想通道介紹
隨著科技的進步發展，無線網路之相關技術已廣泛的應用在人類的生活中。
像是無線網路中常見的 Wi-fi 或是無線行動通訊的 2G、3G，在如此多的無線技術 共存的環境中，稱之為異質無線網路。而本研究使用的 IEEE 802.15.4 通訊技術 則是採用 868MHz、915MHz 以及 2.4GHZ 頻段的 DSSS 無線訊號。2.4GHz 頻帶 正是目前普遍使用的頻帶，其正是在不用額外申請的 ISM (Industrial, Scientific and Medical) 無 線 頻 段 。 而 且 在 目 前 廣 泛 使 用 無 線 通 訊 技 術 環 境 中 ， 如 何 使 得 6LoWPAN 之環境中提升效能是非常的重要的，在一個異質無線網路共存的環境 與原本單一無線個人區域網路中，運作上將會有極大之差別，尤其無線感測網路 的相關應用日漸廣泛，如何確保傳輸的可靠性與傳輸效率，正是本研究重要的目 的。
2.7 RPL 中相關路由決策機制介紹
2.7.1 Energy- Balance
文獻[13]中透過 Energy-Balance 的方式來建構無線感測網路中的路由，為了 達到路由節點能夠延長壽命，其需要最大限度地減少能源消耗，而且還需平衡無