基于6LOWPAN的IPv6傳感器網絡報頭壓縮方案的設計與實現
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3 功能測試及性能分析
3．1 功能測試
該系統中節點使用64位擴展地址作為底層的尋址模式，6LoWPAN網絡的內部使用IPv6本地鏈路地址進行通信，在單跳情況下使用Sniffer無線嗅探儀捕捉到的壓縮前后數據包內容如圖6所示。根據具體的IPv6報頭格式并按照上文提到的IPv6報頭壓縮方案將原40 B的IPv6報頭壓縮到1 B，壓縮前總數據包長度為85 B，壓縮后總數據包長度為46 B，壓縮效率為(85-46)／85=45．9％，對于多跳情況下，適配層會增加一個Mesh頭部，該頭部長度為17 B，因此對應于多跳情況下壓縮效率為[(85+17)-(46+17)]／(85+17)=38．2％。基于以上事實，下文通過存儲開銷、網絡生存時間、丟包率、平均時延4個方面對報頭壓縮進行性能分析。
3．2 存儲開銷
節點的程序代碼存放在ATmega128的ROM中，大小為128 KB，數據空間為ATmega128的RAM，大小為4 KB。在把報頭壓縮開關打開和關閉的情況下，使用AVR Studio4工具分別對同一序進行編譯，軟件輸出結果如表1所示。本文引用地址：http://cqxgywz.com/article/161471.htm
由表1可知報頭壓縮使程序的代碼空間增加了1 742 B，只占節點ROM的1．32％，但是卻沒有增加額外的數據空間。AVR Studio 4工具給出的程序所使用的RAM大小只是程序中所使用的全局變量的大小，結果說明打開報頭壓縮選項并未增加全局變量的使用，經計算報頭壓縮所需的局部變量不會超過20B。
3．3 網絡生存時間
網絡生存時間對于傳感器網絡是一個非常重要的性能參數。然而傳感器網絡大部分的能量均消耗在數據包的發送和處理器的指令處理上。一方面，報頭壓縮可以減少數據包的長度，節省單位數據包的發送能耗。另一方面，報頭壓縮會增加處理器額外的指令處理，增加單位數據包的發送能耗。為了驗證報頭壓縮是否能夠增加網絡的生存時間，做如下實驗：采用同一節點，使用9 V干點池供電，分別在報頭壓縮和不壓縮的情況下單跳與網關通信(鏈路質量很好，無其他無線設備干擾，發送功率均為1 mW)，在服務器端記錄當電池能量耗盡時壓縮和不壓縮兩種情況下節點發送數據包的總個數，實驗結果如表2所示。
由表2可見節點啟用報頭壓縮發送的數據包總數要大于關閉報頭壓縮的情況，顯然報頭壓縮可以有效的提高網絡生存時間。
3．4 丟包率
由于使用報頭壓縮會使節點發送的數據包長度變短，因此在相同的節點發包速率下會減小MAC層的碰撞概率，理論上會減少丟包的發生。為了驗證上述結論，就要盡可能地減少無線信道對丟包率的影響，實驗方案如下：選取10個傳感器節點與網關組成星型網路，通信距離均在1 m以內，發送功率均為1 mW。在不同的發包頻率下使節點發送100個數據包，在服務器統計總共收到的數據包個數，計算網絡的整體丟包率。實驗分為2組，分別采用壓縮和不壓縮的方式進行數據包發送，結果如圖7所示。
由圖可見網絡的丟包率與節點發送數據包的頻率和長度有關，發送頻率越高、數據包越長，則網絡產生的信道沖突的可能性越大，丟包率也就越高。
3．5 平均時延
節點發送數據包的速率為250 Kb／s，采用壓縮方案單個數據包可以節省39 B，因此單個數據包的發送時間可以減少39×8／250=1．24 ms。當然報頭壓縮和解壓縮需要額外的處理時間，本節點ATmega128工作頻率為8 MHz，處理性能為8 MIPS，處理1 000條指令的時間也僅需125μs，因此綜合來講報頭壓縮可以有效的減少網絡時延，尤其是在大規模網絡部署的情況下。本文中采用Ping6命令對網絡時延進行測試，實驗分為2組分別對應壓縮和不壓縮的情況，每組實驗使用5個節點組成5跳網絡，在服務器端對每跳節點進行100次ICMP響應請求，記錄平均返回時間，實驗結果如圖8所示。
由圖可見網絡的平均延時基本與跳數為線性增加的關系，單跳情況下壓縮與不壓縮的網絡時延之差大概在2．5 ms左右。因為Ping命令測試的是往返時間，所以這與理論分析相吻合，隨著跳數的增加時延之差基本線性增長。
4 結語
本文設計并實現了一種IPv6報頭壓縮機制，理想情況下可以將IPv6報頭壓縮到1 B，在節點單跳和多跳通信的情況下壓縮效率分別為45．9％和38．2％。實驗結果表明，本文所設計的報頭壓縮方案可以在占用較小額外存儲空間的情況下，減小丟包率、延長網絡生存時間、降低網絡時延。由于對下一個報頭(UDP，TCP，ICMP)的壓縮并不會給壓縮效率帶來很高的收益，因此本文中并未討論下一個報頭的壓縮方案，后續工作中可以考慮增加對下一個報頭的壓縮支持。
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