无线传感器网络与移动身份管理创新方案

### 无线传感器网络与移动身份管理创新方案 #### 1. 无线传感器网络的现状与挑战 IP 无线传感器网络（IP - WSN）在医疗保健、建筑与家庭自动化、资产管理、环境监测、安全保障以及工业自动化等众多商业应用领域正变得越来越重要。随着无线传感器网络技术的发展，低成本、低功耗、多功能且体积小巧的传感器节点得以开发，这些节点能够进行短距离通信，并且如今还具备承载 IP 栈的能力，从而使无线传感器网络的应用范围比以往更加广泛。 通过在 IEEE 802.15.4 物理层和介质访问控制层之上引入适配层，在 IP - WSN 中传输 IPv6 数据包成为可能。适配层采用无状态压缩技术，将适配层、网络层和传输层的报头字段进行压缩，将这三层的信息压缩至几个字节。然而，IP - WSN 由于大量的空中隧道传输，会引入过多的信令开销，过高的信令成本成为了低功耗 IP - WSN 在现实生活中实施的障碍。 #### 2. PMIPv6 与 6LoWPAN 背景知识 ##### 2.1 PMIPv6 概述 PMIPv6 是一种基于网络的本地化移动性管理协议，它基于 MIPv6 进行扩展，复用了诸如家乡代理（HA）功能等许多概念。该协议旨在为拓扑本地化域内的移动节点（MN）提供基于网络的移动性管理支持。MN 无需参与任何与移动性相关的信令，服务网络中的代理移动性代理会代表 MN 执行这些信令操作。一旦 MN 进入其 PMIPv6 域并完成接入认证，服务网络会确保 MN 始终处于其家乡网络，并能在任何接入网络上获得其家乡地址（HoA）。PMIPv6 的主要功能实体包括移动接入网关（MAG）和本地移动性锚点（LMA），MAG 类似于接入路由器，LMA 则作为 PMIPv6 域的移动性锚点。 ##### 2.2 6LoWPAN 介绍 IETF 的 6LoWPAN 定义了一个适配层，用于在 IEEE 802.15.4 上发送 IPv6 数据包。其目标是减小 IPv6 数据包的大小，使其能够适配 127 字节的 802.15.4 帧。6LoWPAN 包含报头压缩方案、分片方案以及在 802.15.4 网络上构建 IPv6 链路本地地址的方法，它还增强了传感器网络的可扩展性和移动性。由于 IPv6 网络的最大传输单元（MTU）为 1280 字节，而 IEEE 802.15.4 数据包大小仅为 127 字节，因此在 IP 层和 MAC 层之间定义了适配层，负责分片、重组、报头压缩与解压缩、网状路由以及在网状拓扑下的数据包交付寻址等功能。6LoWPAN 协议支持将 IPv6 报头从 40 字节压缩至 2 字节。 ##### 2.3 6LoWPAN 的问题陈述 6LoWPAN 下使用的设备资源极为有限，基于 IP 的宏移动性协议直接要求设备遵循 IP 规范并不合适，因为这些协议是为具有更多资源和更大功率的强大设备设计的，旨在为网络隐藏本地移动性。对于 6LoWPAN 传感器节点来说，持续连接意味着高信令开销是不合适的。特别是当传感器网络支持移动性方案时，过多的控制信号传输会使无缝连接变得困难。此外，6LoWPAN 也不适合实时通信，减轻过多的控制信令开销成为了一个更具挑战性的问题。尽管网络移动性概念适用于 6LoWPAN 移动性，但当前的 6LoWPAN 数据包格式无法为 6LoWPAN 移动路由器（MR）提供高效的移动性支持。 #### 3. 提出的 SPMIPv6 协议 ##### 3.1 SPMIPv6 协议概述 传感器代理移动 IPv6（SPMIPv6）协议是为无线传感器网络提出的基于网络的本地化移动性协议。SPMIPv6 架构由基于传感器网络的本地化移动性锚点（SLMA）、基于传感器网络的移动接入网关（SMAG）以及众多具备完整 IPv6 报头栈的传感器节点组成。在该协议中，SLMA 还将集成认证、授权和计费（AAA）功能，即传感器认证、授权和计费（SAAA）服务。SLMA 的主要作用是在传感器节点在 SPMIPv6 域内移动时，维持对其地址的可达性，并且为每个最近注册的传感器节点维护一个绑定缓存条目。与 PMIPv6 中的 LMA 相比，SLMA 维护的绑定缓存条目更加具体，包含了传感器节点标识符、传感器节点的家乡网络前缀以及一个表示传感器代理注册的标志位。SMAG 类似于边缘路由器，其主要功能是检测传感器节点的移动，并代表传感器节点与 SLMA 发起与移动性相关的信令。由于所有设备都基于传感器网络，因此该方案具有节能的特点，并遵循 6LoWPAN 的其他特性。 ##### 3.2 SPMIPv6 中的消息流 SPMIPv6 中的消息流如下： 1. 当传感器节点首次连接到 SMAG 域时，会使用传感器节点标识符通过接入网络上部署的接入安全协议执行接入认证过程。 2. 接入认证成功后，SMAG 从 SAAA 服务的策略存储中获取传感器节点的配置文件，其中包含传感器节点 ID、SLMA 地址以及支持的地址配置模式等信息。 3. 接着，SMAG 代表传感器节点向其 SLMA 发送包含 MN 标识符的代理绑定更新（PBU）消息。 4. SLMA 收到 PBU 消息后，会检查策略存储，确保发送者有权发送该消息。如果发送者是可信的 SMAG，SLMA 会接受该 PBU 消息。 5. 最后，SLMA 发送包含 MN 家乡网络前缀选项的代理绑定确认（PBA）消息，并在隧道上为传感器节点的家乡网络前