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本文將討論6LoWPAN設計的重要概念，並說明如何在IEEE 802.15.4無線連結中使用IPv6。 

圖1　包含6LoWPAN網狀網路的IPv6網路範例

圖1為IPv6網路範例，其中包括6LoWPAN網狀網路，以及連結至網際網路的上行鏈路，後者由做為IPv6路由器的存取點(AP)處理。

克服現有通訊標準問題　6LoWPAN專為物聯網而生

在一般情況中，存取點會和多種裝置相連，如個人電腦、伺服器等；而6LoWPAN網路使用邊緣路由器連接至IPv6網路。邊緣路由器須具備三項功能：一、6LoWPAN裝置與網際網路(或其他IPv6網路)的資料交換；二、6LoWPAN內部裝置之間資料交換；三、無線子網路(6LoWPAN網路)生成與維護。

6LoWPAN網路可與IP自然溝通，只要使用IP路由器，即可連接至其他網路。如圖1所示，6LoWPAN網路通常在邊緣運作，扮演短截網路的角色，代表資料在進入網路後，最終會被傳送至6LoWPAN內的某一裝置。單一6LoWPAN網路可能透過一個或多個邊緣路由器，在不同媒介之間發送IP資料包，連接至其他IP網路；也可能透過其他路徑，如乙太網路(Ethernet)、無線區域網路(Wi-Fi)、3G/4G等。

由於6LoWPAN僅定義IPv6在IEEE 802.15.4標準下的運作情況，邊緣路由器也可能支援IPv6轉換機制，以連結6LoWPAN與IPv4網路，例如RFC 6146定義的NAT64。這些IPv6轉換機制執行部分或所有IPv4時，不需要6LoWPAN節點。

由於邊緣路由器在網路層發送資料包(請見通訊層相關段落)，因此不會維持任何應用層狀態。ZigBee、Z-wave、藍牙及其他專利網路架構則須維持狀態，有時甚至需要複雜的應用閘道，才能連結至網際網路等IP網路。這些應用閘道須了解網路內可能使用的所有應用檔案，無線節點若更改應用協定，也必須更改閘道；反觀IP邊緣路由器則不受6LoWPAN內的應用協定影響，不僅能降低邊緣路由器的處理負擔，亦可選用成本較低、軟體較簡易、硬體較不複雜的嵌入式裝置。不過IP架構不會排除今日網路內常見的代理伺服器或快取，無法藉此提升網路效能。

在一般6LoWPAN網路內，也包括路由器與主機兩種裝置。路由器一如其名，會為資料指路，導向6LoWPAN網路內另一節點；主機亦稱為終端裝置，不會導引資料至網路內其他裝置。主機也可能是休眠裝置，定期甦醒向路由器確認資料，藉此降低用電量。

以省電/開放為首要目標　6LoWPAN各層設計皆具巧思

顯而易見，6LoWPAN大幅改變物聯網面貌，過去ZigBee、藍牙及其他專利系統得透過複雜的應用層閘道，才能連接至網際網路，而6LoWPAN在IP堆疊連結與網路層之間加入調節層，解決這項問題，即可透過IEEE 802.15.4無線連結傳輸IPv6資料包。

6LoWPAN所有通訊系統均依據一組規則或標準，決定資料格式與控制交換，最常見的資訊通訊系統模型為「開放系統互連(OSI)」架構，將通訊拆解為五個基礎層，圖2說明簡化的OSI架構及另外兩種物聯網裝置典型堆疊，一種是使用Wi-Fi堆疊的裝置，另一種是以6LoWPAN為基礎的物聯網裝置。

圖2　OSI架構、Wi-Fi堆疊與6LoWPAN堆疊

實體層將資料轉換為訊號，以無線方式收發。在6LoWPAN的範例中，採用IEEE 802.15.4，這項標準除完整的2006版本外，還有e與g兩項重要的修正版，其中，IEEE 802.15.4e為媒體存取層(MAC)修正版，改善項目包括分時頻道跳動(TSCH)與定時訊號採樣(CSL)，藉以降低用電量，也讓介面更加健全；IEEE 802.15.4g則為實體層修正版，提供額外的無線頻段範圍，即便在Sub-GHz頻段中，也能全球通用。

資料連結層偵測與訂正實體層收發時可能出現的錯誤，為直接相連的節點提供可靠連結，資料連結層內含MAC，提供媒體存取，使用載波檢測多路存取/碰撞避免(CSMA-CA)等功能，無線網路會先確認沒有其他傳輸作業，才發送資料。資料連結層亦可處理資料框架，在6LoWPAN的範例中，MAC採用IEEE 802.15.4標準。6LoWPAN調節層也位於資料連結層內，提供IPv6至IEEE 802.15.4相關調節。

網路層在資料需要多次跳躍時，負責配予位址，並導引資料在網路間的傳輸。IP便是一項網路協定，為所有裝置提供IP位址，讓封包能夠在裝置之間傳輸。

傳輸層在終端裝置上的各種應用之間溝通，有了傳輸層之後，裝置內各個應用均可擁有自己的通訊通道。TCP為網際網路上的主流傳輸協定，不過TCP屬連接式協定(包括封包排序)，額外負擔龐大，未必適合需要超低用電量的裝置；UDP則為額外負擔較低的無連接式協定，較適合此類裝置。傳輸層安全協議(TLS)使用以UDP為基礎的TCP與DTLS，即為安全傳輸層範例。

應用層負責資料格式，也確保資料以最適合應用的結構傳輸。網際網路上最常見的應用層便是使用TCP的HTTP，HTTP使用文字程式語言XML，額外負擔龐大，故在許多6LoWPAN系統內，並不適合使用HTTP。

不過6LoWPAN與網際網路通訊時，HTTP還是很方便，因此業界開發出其他替代應用層協定，如「受限應用協定(COAP)」，使用UDP及類似HTTP的改良版REST機制。COAP由IETF在RFC 7252內定義，其定義內容包括重傳、可確認與不可確認訊息、支援休眠裝置、區段移轉、訂閱支援、資源探索等，COAP也很容易透過代理伺服器連結至HTTP。

另一項應用層協定「訊息佇列遙測傳輸 (MQTT)」也值得一提，這項開放源碼協定由IBM發明，使用TCP，屬於發表/訂閱型協定，資料並不直接在端點間傳輸，而透過伺服器等中介傳遞訊息。MQTT會設定主題，裝置可發表與訂閱不同主題，裝置所訂閱的主題只要更新，裝置會透過中介得知與接收資料；裝置亦可使用#或*等字元設定主題階層。

MQTT支援多層服務品質(QoS)，確保訊息傳遞，中介可能位於IP內部網路或網際網路上，而同一系統裡也可能支援多個中介。目前已有數個公共中介，許多雲端服供應商亦提供MQTT存取。還有許多其他應用層協定也使用TCP/UDP，在此所列項目均為針對低功率物聯網應用的相關協定。

融合IPv6/802.15.4優點　6LoWPAN打造網狀網路

今日網際網路(與許多獨立IP網路)以IPv4為主要基礎，使用32位元位址，故不重複位址上限為4,294,967,296，隨著位址陸續分派給用戶及裝置，閒置位址自然減少。IPv4位址已於2011年2月3日用罄，不過先前已透過網路位址轉換(NAT)途徑大幅延後時程。

由於IPv4有此限制，業界於90年代開發IPv6，並自2006年起投入商用。IPv6涵蓋2128位址空間與3.4×1038不重複位址，即使聯網裝置至2020年將突破500億，仍應足以服務未來數10年的網路發展需求。

因應頻寬增加，IPv6將「最大傳輸單位(MTU)」下限從576位元組提高至1,280位元組，並反映網際網路使用的連結層技術變化與進展。乙太網路是主流連結技術，吞吐量連年成長，Wi-Fi與乙太網路能力相仿，支援類似大小的MTU及超高連結速率，兩者均適用功能強大、電源充沛的裝置。

相對的，IEEE 802.15.4服務的市場不同，主要針對需大量低成本、超低功率裝置的長壽應用，此標準的吞吐量上限為250kbit/s，框架長度上限為127位元組，可確保在損耗射頻環境內，較低的封包與位元錯誤率。此外，IEEE 802.15.4使用兩種位址：16位元短位址與EUI-64長位址，降低檔頭額外負擔，並減少記憶體需求；由於6LoWPAN運作通常會多次跳躍，形成低功率網狀網路，故與乙太網路或Wi-Fi網路大不相同。另一方面，使用6LoWPAN的裝置通常資源有限，只有大約16kB RAM與128kB ROM。

在上述資源限制與6LoWPAN多重跳躍拓撲下，在IEEE 802.15.4網路支援IPv6面臨多項挑戰：

首先，IPv6資料包並非先天適合IEEE 802.15.4網路。由於低吞吐量、緩衝有限、資料包只有IPv6 MTU下限的十分之一，故必須壓縮檔頭，資料分割也勢在必行，例如IEEE 802.15.4連結檔頭可能限制有效負載為81位元組，故IPv6(40位元組)、TCP(20位元組)與UDP(8位元組)檔頭顯得過大。

其次，由於IEEE 802.15.4特點為低功率、低吞吐量、使用射頻為媒介，較容易出現雜訊干擾、連結故障、不對稱連結(A能聽見B，但B無法聽見A)，因此網路層必須具備彈性及迅速反應，同時維持低功率與高效能。

最後，6LoWPAN最常見網路拓撲為低功率網狀網路，故連結並非單一廣播區域，這一點非常重要，因為探索芳鄰等IPv6基礎均仰賴這項特質。

針對上述幾項問題，6LoWPAN標準制定組織也逐一做出回應，以下將詳細說明。

調節層換新資料框架壓縮方式

透過MAC與實體層傳送資料時，一定會使用調節層，例如RFC 2464定義乙太網路框架下的IPv6封包壓縮方式，相同的作法也用於IEEE 802.11 Wi-Fi技術。RFC 6282則為6LoWPAN定義在IEEE 802.15.4無線連結下的IPv6資料框架壓縮方式。

網際網路工程任務組(IETF) 6LoWPAN工作組(WG)的焦點在於，改善IEEE 802.15.4等低功率有損網路的IPv6封包傳輸，因此發表RFC 6282，其中訂定：

在6LoWPAN調節層內，重點概念在於運用無狀態或共享脈絡壓縮，省略檔頭欄位，如此可將所有檔頭(調節、網路、傳輸層)壓縮至幾位元組，由於檔頭欄位通常帶有共用數值，因此能夠壓縮。共用數值的產生主要源於頻繁使用IPv6功能的子集合，如UDP、TCP、ICMP；共享脈絡的情況類似，可假設整套6LoWPAN系統的網路前置位元皆相同。

6LoWPAN調節層也移除可從其他層取出的重複資料，如IPv6位址及UDP/IPv6長度欄位，以下將說明RFC 6282三項重要改變帶來的效益：

檔頭壓縮更適合多重跳躍通訊

IP檔頭壓縮的舊有方式取決於狀態，適用於端點間傳輸穩定的點到點連結，因此在連結穩定的靜態網路內很有效；而在多重跳躍通訊之中，每次跳躍都須要壓縮與解壓縮。6LoWPAN系統內常使用的路由協定(如RPL)藉由重找路徑，維持接收器多元性，但因為需要狀態移轉，大幅降低壓縮效能。

6LoWPAN無線網路等動態變化網路中，須多重跳躍與不定期傳輸，則須採用6LoWPAN無狀態與共享脈絡壓縮，不需要任何狀態，路由協定亦可動態選擇路線，不會影響壓縮比例。

圖3說明三種通訊情境：

圖3　6LoWPAN IPv6檔頭壓縮範例

本案例最佳情況為第1種，但並不適合傳送應用資料(只能在直接芳鄰之間傳送資料)，不過對於路由協定而言，能夠在鄰近裝置交換的資料內壓縮檔頭格外重要。最糟情況為第3種，但其壓縮比例仍達50%；在此案例中，假設介面ID可從裝置的MAC位址取出，如本文先前所述，6LoWPAN標準已納入UDP檔頭壓縮，但未呈現在本案例中。

因應IPv6格式分割與重組封包

為透過IEEE 802.15.4無線連結傳輸IPv6框架，須將IPv6框架切割成許多較小區塊，因此要在檔頭中產生額外資料，藉以確保最終能正確重組封包。當資料封包重組時，也會移除這些額外資訊，將封包恢復至原始IPv6格式。

分割序列依據路由類型而異(稍後討論各種路由技術)。在Mesh-under路由機制中，封包抵達目的地才重組，採用Route-over路由機制的網路則是每次跳躍後重組資料封包。因此在Route-over網路中，每一跳躍都必須擁有足夠資源，儲存所有封包；而在Mesh-under系統中則因為所有封包立即通過，造成龐大網路流量的迅速產生，若在重組時遺漏任何封包，所有封包需求必須重新傳送。

由於分割會縮短裝置電池壽命，應盡可能避免，因此最重要的是維持低負載(包括選擇最適合的應用級協定)，並善用檔頭壓縮。

檔頭堆疊增添應用彈性

6LoWPAN使用堆疊檔頭，也和IPv6相似採用延伸檔頭，6LoWPAN檔頭決定各個子檔頭的能力，子檔頭共分三種：網狀位址、分割與檔頭壓縮，網狀位址支援第二層(資料連結)傳送，分割則支援IPv6 MTU傳輸。定義檔頭格式時，使用每一檔頭最初的檔頭類型欄位(圖4)。

圖4　6LoWPAN堆疊檔頭範例

檔頭堆疊很容易分析，亦可視需要移除子檔頭，封包若能容納在單一IEEE 802.15.4框架中，亦可省略分割檔頭；若傳送資料過程只有一次跳躍，則不須使用網狀檔頭，若負載大於單一IEEE 802.15.4框架，則須使用分割檔頭。

分割檔頭共有三個欄位：資料包尺寸、資料包標籤、資料包偏移。資料包尺寸說明未分割的總負載量，資料包標籤註記封包分組，用來組合同一負載的封包，資料包偏移註記封包在未分割負載內的偏移。分割檔頭長度在第一檔頭為四位元組，所有後續檔頭為五位元組。

網狀位址檔頭用於傳送6LoWPAN網路內多重跳躍封包，其中包含三個欄位：跳躍限制、來源位址、目的位址，跳躍限制欄位能限制傳送的跳躍次數，數值隨著每次跳躍減少，歸零後，封包就會停住；來源與目的位址欄記錄IP端點，兩者均為IEEE 802.15.4位址，並依據標準，可能是短位址或延伸位址。網狀位址檔頭長度依位址模式而異，介於5位元組至17位元組之間。

兩類6LoWPAN路由各擅勝場

路由意指在裝置間傳送資料封包的能力，有時可能涉及多次跳躍。路由機制依據使用層不同，可分為Mesh-under與Route-over兩種(圖5)，Mesh-under運用第二層(連結層)位址(IEEE 802.15.4 MAC或短位址)傳送資料封包，Route-over則使用第三層(網路層)位址(IP位址)。

圖5　Mesh-under與Route-over封包轉發架構

在Mesh-under系統中，資料路由相當透明，故一般認為Mesh-under網路為IP子網路。此類系統中，邊緣路由器是唯一IP路由器，並劃定單一廣播區域，以確保與更高層的IPv6協定相容，如DAD。這些訊息必須發送至網路內所有裝置，故網路負載高，下行網路最適合小型區域網路。

如前所述，Route-over網路的路由取道IP位址，故網路內每次跳躍都代表一個IP路由器，因為每個路由器都必須落實DAD等一般IP路由器支援的所有功能，IP路由為較大型、功能較強、較具彈性的網路奠定基礎。今日在採用Route-over的6LoWPAN網路中，最常使用的路由協定為RPL，IETF在RFC 6550內定義這項內容。

相較於Mesh-under路由機制，Route-over路由機制的優點，在於不須經過任何改變即可沿用今日標準TCP/IP堆疊內多數協定。RFC 6550明定低功率有損網路(RPL)的IPv6路由協定，在6LoWPAN網路內，支援從裝置至中央控制點(如網際網路伺服器)的多點對點流量，以及從中央控制點至裝置的點對多點流量。

RPL雖然也支援點到點流量，但因為常得經過邊緣路由器，故並非最佳選項。RPL支援兩種路由模式：儲存模式與非儲存模式。在儲存模式中，6LoWPAN網路內所有路由器裝置都具備路由表與芳鄰表，路由表可用來查詢各項路線，芳鄰表則追蹤節點直接芳鄰。

在非儲存模式中，只有邊緣路由器具備路由表，故採用來源路由，代表封包內含所有抵達目的地所需的完整路徑(或跳躍)資訊；例如在同一6LoWPAN網路的裝置間傳送資料時，資料先從來源裝置送往邊緣路由器，邊緣路由器再搜尋路由表，並將前往目的地的完整路徑資訊加入封包。儲存模式對扮演路由器的裝置要求較高(須擁有儲存路由表及芳鄰表的資源)，而在非儲存模式中，封包傳輸過程的跳躍次數愈多，額外負擔愈大。

強化裝置互連設計　IPv6支援自動指派/芳鄰探索

自動指派意即自動生成裝置的IPv6位址，這項流程在IPv4和IPv6之間有別，後者允許裝置自動生成IPv6位址，不需與DHCP伺服器等外部裝置互動，取得位址時，主機可透過芳鄰探索協定(NDP)溝通，但RPL也包括許多NDP功能，因此也適用上述流程，其中包括四種訊息類型：

IPv6芳鄰探索功能方便裝置探索芳鄰、維持可達性資訊、指派預設路徑，以及傳播指派參數等。RS訊息內包括網路的IPv6前置位元，網路內所有路由器會定期發送這些RS訊息。某一主機若希望參與6LoWPAN網路，主機可自行賦予連結本機單播位址(FE80::IID)，再以NS訊息將此位址傳送至子網路內所有參與者，確認位址是否已使用；如果在一定時間內，未接收到任何芳鄰公告訊息，則認定位址無人使用，這套流程稱為重複位址檢測。

為取得正確網路前置位元，主機會發送RS訊息至路由器；使用這四種訊息後，主機就能獲得全球獨一無二的IPv6位址。

因為使用來源位址自動指派功能，每一主機均可運用IEEE 802.15.4 EUI-64位址、16位元短位址、或同時使用兩者，產生連結本機IPv6位址，在Mesh-under模式中，連結本機範圍涵蓋整個6LoWPAN網路，甚至包括多重跳躍，且單一連結本機位址就足夠處理6LoWPAN內部通訊，只有在與6LoWPAN網路外通訊時，才需要IPv6位址。在Route-over模式中，單一連結本機位址足以處理無線範圍內節點通訊，但需要可路由位址，才能與多次跳躍外的裝置溝通。

若要取得單播位址，最有效率的方式是自本地IEEE EUI-64位址取得。6LoWPAN因為結合連結、調節與IP檔頭，故可省去位址解析需求，因此縮小檔頭。同樣的，自動指派功能應在介面位址內使用共同前置位元，讓6LoWPAN可省略前置位元，6LoWPAN也能使用短連結位址取得IPv6位址，進而縮短檔頭。

結合AES-128加密機制　6LoWPAN提升網路安全性

安全性對物聯網系統至關重要，也總是一大難題，由於物聯網節點眾多，許多節點的功能也有限，為外部攻擊者提供更多可趁之機。此外，一般物聯網系統內流動的資料也不僅只是「資料」，有些還可用來開啟住家大門，或是遠端開關警報裝置，故潛在危險更高。

基於以上因素，物聯網系統需要頂尖安全方案，6LoWPAN運用IEEE 802.15.4的強大AES-128連結層安全功能，由連結層提供連結認證與加密；此外，傳輸層安全(TLS)機制也很適合6LoWPAN系統，RFC 5246所定義的TLS採用TCP，在有限環境與系統中，若選擇UDP做為傳輸層協定，RFC 6347(資料包傳輸層安全性協議(DTLS))可確保傳輸層安全。

不過若要採行TLS/DTLS，裝置本身必須擁有硬體加密引擎等必要資源，才能使用先進密碼組等功能。

新興標準組織力推互通性認證

互通性幫助來自不同製造商的裝置交換資料，許多聯盟與組織均明定規格、測試程序與互通性測試，確保通訊堆疊各層間的互作用性。有些標準定義OSI架構內其中一兩層的互通性，有些則涵蓋整套完整系統。

IEEE發表標準規格，著重於通訊與無線工程，並不提供互通性測試或認證方案，IEEE公告的項目中，802.3為今日多數電腦採用的乙太網路規格，802.11提供普遍的Wi-Fi規格基礎，802.15.4定義ZigBee及6LoWPAN等使用的無線個人區域網路，802.15.4定義實體層與MAC。

IETF為開放標準組織，負責今日網際網路上許多標準，最知名的便是其TCP/IP系列。如本文所述，IETF標準透過「徵求修正意見書(RFC)」發布，可自由在www.ietf.org網站下載，較常見的項目包括：定義HTTP/1.1的RFD 2616，與定義IPv4的RFC 791。與IEEE相同，IETF亦不提供認證方案，故產品即便符合這些標準，亦無法獲得認證。

有些組織與聯盟在採用IEEE、IETF或其他單位的標準後，建立由上而下的認證方案，確保產品互作用性無虞。部分組織投入6LoWPAN互作用性項目，例如2014年7月才成立的Thread Group，著重於定義智慧家庭系統中，包括傳輸層(OSI模型)在內的各環節，並提供認證方案。「開放互連聯盟(Open Interconnect Consortium)」則定義共同通訊架構，維護裝置間資訊流動的無線連接與智慧管理。其他如Wi-SUN、IPSO、ZigBee IP等單位，同樣在其系統內納入6LoWPAN。

6LoWPAN在市場上尚屬新穎，格外適合如具備感測器與致動器的家庭自動化系統、路燈監控、居家照明、智慧量表、聯網裝置的一般物聯網應用等部分市場。

今日系統同時運用2.4GHz及Sub-GHz，並以IEEE 802.15.4優點為基礎，包括支援大型網狀網路拓撲、通訊功能健全、極低用電量等。如再加上過去30餘年發展的各項IP通訊應用，便能輕易了解由於6LoWPAN具備眾多優點，如開放標準、使用壽命長、學習門檻低(多數開發人員已熟知IP)、網際網路透明整合，自然適合推進物聯網市場快速成長。

(本文作者任職於德州儀器)