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6LoWPAN:無線嵌入式網際網路

上網時間: 2011年07月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:網際網路  物聯網  智慧電網  6LoWPAN  無線 

作者:Zach Shelby、Carsten Bormann

在過去20年,網際網路(Internet)取得了巨大成功,它從一個小型的學術網路成長為一個全球性、無處不在、有超過14億人在定期使用的網路。這就是網際網路範式(paradigm)的力量,它整合了異質網路。統一資源定位符(URL)的創新萬維網(WWW)模型、超文字傳輸協議(HTTP)以及借助超文字標記語言(HTML)的通用內容標記等技術,使這一切成為可能。

但草根(Grass-roots)創新一直是網際網路得以持續成功的最強力推手。網際網路對創新的開放程度和方式,與以前的其它任何通訊系統都截然不同。這使得所有群體都能參與其中,從網際網路建構師到通訊工程師,從IT人員到日常用戶…允許他們去創新、去迅速地為網際網路技術增加新的協議、服務和應用。

隨著作為路由器、伺服器和個人電腦的網際網路的日漸成熟,另一場網際網路革命——物聯網(The Internet of Things)——在悄然興起。物聯網背後的願景是:嵌入式設備(也稱為智慧物件)正普遍成為支援IP的、並成為網際網路的一個組成部份。目前,使用IP的嵌入式設備和系統的應用範圍從行動電話、個人保健設備和家庭自動化設備到產業自動化、智慧型儀器表和環境監測系統等,應有盡有。

即使依照目前的估計,物聯網的規模也已非常龐大,未來會有超過兆台/部的設備可支援IP。物聯網的影響非常巨大,它可望帶來更精準的環境監測、更節能、更高效的工廠、更好的物流、更好的醫療保健和智慧家居以及智慧電網等。

物聯網革命始於1990年代的工業自動化系統。工業自動化領域早期的私人網路很快被各種工業乙太網取代,在嵌入式自動化設備和後端系統間,網際網路協議得到廣泛採用。在所有其它自動化領域,也一直延續著這一趨勢;其間,乙太網和IP變得無處不在。

本世紀初,透過借助蜂巢式數據機和IP來監測和控制從自動販賣機到水泵等多種設備、機器對機器(M2M)遙測技術已取得突破。借助大樓自動化和控制網路(BACnet)和開放式建築資訊交換(oBIX)標準,大樓自動化系統已經從傳統的控制方式轉變為採用有線的IP通訊這一方式。

最近,自動測量基礎設備和智慧電網的應用在迅速成長,它也主要基於IP技術的可擴展性和無處不在的可用性。最後,行動電話幾乎已成為可在全球各地支援IP的嵌入式設備;眼下,手機成為隸屬於物聯網的最大一個分類。

在服務領域,一直以來,一個同樣重要的發展是用以監視和控制嵌入式設備的應用。今天,這些服務幾乎是普遍建構在網際網路技術之上的,而更常見的是使用基於Web的服務來實現。Web服務技術已經完全改變了商業和企業應用的設計和實施方式。正是這種經由網際網路連接的嵌入式設備和基於Web服務的結合,使得物聯網成為一個強有力的範式。

支援IP的嵌入式設備數已達數億,但在2009年,物聯網仍處於起步階段。雖然處理器的能力、功率和通訊技術在不斷提升,但與此同時,通訊標準、協議和服務的複雜性也與日俱增。因此,到目前為止,還只能在最強大的嵌入式設備上使用網際網路功能。此外,低功率無線通訊限制了可用的實際頻寬。在整個1990年代和21世紀初這十多年間,我們見證了許多專有低功耗嵌入式無線和網路技術的出現。這使得市場各自為營、並減緩了這種技術應用的普及程度。

美國電氣和電子工程師學會(IEEE)在2003年發佈了802.15.4低功率無線個人區域網路(WPAN)標準,這是個重要的里程碑,它是全球第一個低功率無線標準。不久後,ZigBee聯盟為基於IEEE 802.15.4的ad hoc控制網路開發了一個方案,並對無線嵌入式技術應用的普及做了大量宣傳。

垂直整合到鏈路層和應用規格(application profile)的ZigBee和專屬網路都只解決了無線嵌入式網路應用的一小部份問題。它們在可擴展性、可演進性及與網際網路(Internet)的融合等方面還有問題。為在物聯網中能融合進處理能力有限的低功率無線設備(圖1),就需要一種新範式,這就促成了所謂的無線嵌入式網際網路的出現。


圖1.無線嵌入式6LoWPAN設備。

本文介紹了若干支援在低功率無線區域網路(6LoWPAN)1中使用IPv6的網際網路標準, 6LoWPAN是實現無線嵌入式網際網路的關鍵。 6LoWPAN摧毀了存在於低頻寬無線網路中,在低功率、處理能力有限的嵌入式設備上利用IPv6的障礙。 IPv6是網際網路協議的最新版本,其開發可追溯到1990年代末,當時是作為應對網際網路的快速成長及其所面臨挑戰的一種解決方案。托IPv6的福,使物聯網的進一步成長成為可能。


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