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GB／T 42402-2023 信息技术 系统间远程通信和信息交换 6TiSCH网络协议.pdf6TiSCH网络的MAC子层采用基于时隙帧的时隙跳频机制，支持数据帧无碰撞、实时可靠地发 接收。MAC子层的功能包括信标管理、信道访问、时隙管理、顿验证、带确认的帧发送、发送连 开请求，以及为实现适合于应用程序的安全机制提供服务。
6.2.3.2.1时隙帧
6TiSCH网络通信采用严格时间同步的时隙通信方式。网络中的所有节点都是时间同步的，网络 时间被格式化成时隙，要求每个时隙长度可保证节点间进行一次帧发送和ACK回复。节点应遵循时 分多址方式进行通信。时隙化通信方式减少冲突，节省能量，保证通信确定性。 时隙跳赖网络通信采用时隙顿取代超顿。时隙顿包含对等方之间的已定义的通信周期，与超顿不 同，时隙帧和设备在时隙顿中分配的时隙最初可通过信标进行通信，但是通常在设备加入网络时由上层 协议配置。 时隙帧结构如图6所示，时隙帧是一定数量时隙组成的循环，采用ASN对时隙进行计数。根据时 隙帧长度和ASN：可计算出时隙帧内对应的时隙偏移
时隙顺长度根据不同应用需求调整，根据参与方设备的共享时间自动重复，并且不需要信标来初始 化通信。在特定的时间间隔内，时隙数目决定时隙帧的重复速度，时隙数目越少，则时隙帧长度越短且 时隙帧重复越快，进而可用带宽增加，但功耗也相应增加。 与超帧不同，时隙帧没有信标帧界定帧起始厂房工程项目安全生产及文明施工方案，时隙内的数据收发按照IEEE802.15.4e：2012中 5.1.4.2a.1规定的时隙通信方式进行。
6.2.3.2.2信道跳频
信道跳频是一种抗多径衰落和信道干扰的技术。节点对的通信频率是绝对时隙和信道偏移的 通信频率f由公式（1)计算
f=F[(S+Co)%Cn
F一一表查找函数，表项由可用信道组成，表项长度等于可用信道数目； %一一取余； S一一绝对时隙； Co一一信道偏移； Cn一一可用信道数。 被调度节点对的信道偏移和ASN保持一致，其通信频率相同。在时隙帧下一个周期，节点对的通 信频率随着绝对时隙和信道偏移的改变而改变。选取不同的信道偏移，同一时隙可同时进行多个通信。 信道跳频示例见附录A的A.1。 时隙跳频模式在共享链路上通信时采用CSMA/CA算法进行发送和重传。当共享链路中遇到传 输失败时，CSMA/CA设置BE为最小值，然后MAC子层数据发送以共享链路为单位进行回退，回退 数目为[0，2距一1]区间中的一个随机数。共享链路重传再次失败时，BE加1，直到达到最大回退值。 共享链路重传成功时，BE再次初始化为最小值。当重传次数达到设定门限值，MAC子层停止重传并 通知上层。
6.2.3.2.3时隙跳频通信
时隙跳频通信模型如图7所示，融合了时分多址和频分多址两种方式。网络中所有节点共享相同 时间和信道信息，通信资源以ASN和信道偏移为基础划分，信道偏移按照[0，1，2，依次进行编号 信道偏移最大取值受限于可用信道数目，可采用黑名单将低质量信道进行屏蔽。调度单元（cell)分配给 MAC子层进行单播或广播通信，时隙跳频通信由时隙、信道偏移以及动作属性表征，即安排节点在特 定时隙内的动作，如发送、接收或者睡眠。例如，图7中，在ASN一2内，发送端C与接收端A在信道 完成收发动作，同时发送端B与接收端D在信道15完成收发动作
图7 时隙跳频通信模型
6.2.3.2.4信道分配与使用矩阵
6TiSCH可支持IPv6在MAC子层上尽最大努力（随机）传输，该MAC子层也支持调度（确定性） 传输。围绕调度传输定义一个时间窗，在该时间窗中，宜尽可能地没有能量争用，以确保当调度传输时 刻到来时，没有争用分组。 获得这样一个窗口的一个简单方法是将时间和频率格式化为等时长传输的调度单元。 CDUM是一个调度单元矩阵，用于描述该格式化的时间和频率，矩阵的高度等于可用信道数（按信 道偏移量索引），其宽度（以时隙为单位)等于该CDUM的网络调度操作周期（由时隙偏移索引）。 多个模型适用于对调度单元的使用进行调度，这些模型通过中央控制器或设备自身避免冲突，并以 额外的能耗代价搜索空闲调度单元。 一个调度单元的大小等于时隙持续时间，10ms～15ms是时隙跳频模式运行的IEEE低速率无线 网络适应单轮传输的典型值，该时间包括接收端的安全验证时间。 CDUM采用跳频序列进行选代更新。在特定的网络中，可能有多个不同宽度的CDUM，它们具有 不同的持续时间，表示不同的周期操作。6TiSCH中所有CDUM应采用相同的调度单元持续时间工作 并对齐，以减少来自时隙ALOHA操作的干扰。CDUM知识在所有节点之间共享，特别地用于定义时 隙帧。 时隙帧是一个通用于所有节点的MAC级别的抽象概念，它包含一系列具有相同长度和优先级的 时隙。时隙帧具有时隙帧ID和时隙帧大小两项特征。时隙帧将其参数对齐到CDUM，如时隙的数量 和持续时间。 多个时隙帧可共存于节点调度中，例如，一个节点可在不同的时隙帧中调度多个活动。时隙帧关联 一个优先级，该优先级与不同6TiSCH拓扑的优先级相关。时隙帧可对齐到不同的CDUM，因此具有 不同的宽度。通常有一个具有最高优先级的调度流量的时隙帧，以及一个或多个用于RPL流量时隙 帧。时隙帧中的时隙由时隙偏移索引，第一个调度单元的时隙偏移为0。 当对从上层协议接收到数据包进行传输时，6top将该数据包插入到与数据包最匹配的输出队列中 （可使用IETFRFC2474：1998的差异化服务）。在每个预定的传输时隙，6top在所有输出队列中查找 与调度单元最匹配的帧。时隙跳频MAC传输查找到的顿。
6.2.3.2.5调度单元预留分配
6TiSCH网络以组块方式一次性为整个组的调度单元分配频谱。CDUM被格式化为系列组块，每 个组块由组块ID唯一标识。该格式化信息在6TiSCH网络中所有节点之间共享。它可在接人过程中 传递，或者编人配置文件，或者采用其他机制获得。 6TiSCH允许占用调度单元所有权，RPL父节点可发现在其干涉域中未使用的组块并声明它。组 块是在该流程中使用的所有权基本单元。 组块所有权占用过程导致RPL父节点拥有独占权限来决定所占用组块中的特定调度单元可被其 干涉域中的特定节点使用。即，它被隐式地委托了管理由组块表示的部分CDUM的权限。 这些调度单元最初被添加到空闲调度单元的堆中，然后动态地放人现有调度束或者新调度束中，或 者适时地分配给单次传输。PCE在调度单元分配中预期具有优先权，从而RPL父节点只能获得PCE 未使用的部分。
6.2.3.3MAC子层服务规范
5.2.3.3.1MAC子层常数
6.2.3.3.3MAC数据服务
C子层数据服务规范见IEEE802.15.4e：2012中
层管理服务规范见IEEE802.15.4e：2012中的8
6.2.46top子层
6.2.4.16top功能要求
6top的功能包括： a）提供6TiSCH中时隙跳频MAC上IP链路的抽象，使得上层6LoWPAN报文、RPL报文以及 IPv6报文能够在时隙跳频模式下进行传输。 b）为时隙跳频调度单元构建调度管理实体，实现集中式和分布式调度管理： 1）定义邻居节点间调度单元的添加、删除、重置等操作，在时隙跳频调度单元上进行数据包 调度； 2）提供一组管理接口，以支持上层对时隙跳频调度单元的调度管理。 为实现上述功能，6top执行6P协议，以及一个或多个调度函数。6P协议是由6top提供的服务之 ，规定了邻居节点间以协商方式添加、删除、或重置调度单元的方式，从而实现6TiSCH网络分布式调 度管理。调度函数定义了关于如何添加、删除调度单元的规则。
6.2.4.2调度单元类型
网络中通信资源分为时间资源和频率资源。以时隙和信道偏移为基本单位，整个网络可表示为时 分多路复用/频分多路复用矩阵。 IEEE802.15.4e：2012中6.4.3.3.2的macLinkTable表定义了一组调度单元的可选项，即发送调度 单元、接收调度单元、共享调度单元或计时调度单元。一个cell可使用多个可选项进行限定，cell可选 项取值为： b0=发送 b1=接收 b2=共享 b3=计时 b4一b7=保留 只有发送调度单元可同时被标记为共享调度单元。设置共享位后，将应用退避算法来处理冲突 接收调度单元不能被同时设置为共享调度单元。 为cell增加配置类型属性，将cell区分为硬调度单元和软调度单元，0表示软调度单元，1表示硬调 度单元。硬调度单元和软调度单元采用不同的管理方式：
Ea) 对于硬调度单元，一个调度管理实体（如PCE)占有及管理该调度单元，调度实体指定要添加、 移动、删除的硬调度单元的时隙偏移和信道偏移，6top对硬调度单元是只读的，只能按指示操 作，不能自行调度时隙跳频调度表中的硬调度单元； b） 对于软调度单元，6top可在本地管理该调度单元，6top包含一个监视进程，该进程监视调度单 元的性能，并可在时隙跳频调度表中添加、删除软调度单元以适应流量需求，或者删除性能不 佳的调度单元，为预留一个软调度单元，上层协议并不指示调度单元的确切时隙偏移和信道偏 移，而由6top根据产生的带宽和QoS需求确定，当监控过程触发调度单元重置时，通过该调 度单元通信的两相邻设备将协商其在时隙跳频调度中的新的通信资源。
6.2.4.3调度单元配置
6.2.4.46top协议
6.2.4.4.16P协商
6.2.4.4.1.1
6P协商为两个邻居节点之间的完整协商。当一个节点需要与它的一个邻居节点协商添加、删除或 重置一个或多个调度单元时，6P协商启动。当两个邻居节点通过协商已经在调度表中添加、删除或重 置调度单元时，或者两邻居节点6P协商失败时，则6P协商结束。 为便于描述6TiSCH网络中节点间协商，下文以节点“A"向节点“B"发出6P请求为例，并假设节点 A监听其在调度中与节点B的通信调度单元。
6P调度管理分为添加调度单元、删除调度单元和重置调度单元三种基本类型： a）如果节点A每单位时间发送到节点B的链路层帧的数量超过了已调度到节点B的时隙跳频 调度单元提供的容量，则它将触发与节点B的6P协商以添加一个或多个调度单元到两个节 点的时隙跳频调度表； b）如果流量低于它已调度到节点B的时隙跳频调度单元提供的容量，则节点A触发与节点B的 6P协商，以删除两个节点的时隙跳频调度中的一个或多个调度单元； c）节点A还可监听统计信息以确定在到节点B的特定调度单元上是否发生了冲突。如果触发 了此功能，则节点A与节点B通信，将该特定调度单元在时隙跳频调度表中重置到节点B中 新位置。 所有6P消息中包含的调度函数标识符字段允许节点在每次6P协商基础上调用适当的调度函数。 两个节点之间执行一个特定的6P协商作为一个调度函数触发的动作的结果。对于一个成功的6P 商，两个节点应使用相同的调度函数来处理特定事务。 在6P协商期间，节点A和B之间交换的6P消息应在节点A和节点B之间的非共享单播调度单 （专用调度单元）上进行交换。如果节点A和B之间没有调度专用调度单元，可使用共享调度单元。 保持两个邻居节点调度表的一致性是必要的，调度表不一致会导致数据丢失。为验证一致性，邻居 点保持一个序列号，邻居节点交换该序列号作为每个6P协商的一部分，以检测可能的不一致性。 6P协商实现应包含一种机制，将每个调度单元与调度它的调度函数关联。 一个6P协商可实现为两步协商（见6.2.4.4.1.2)或三步协商（见6.2.4.4.1.3)。当节点A选择要分 的调度单元时使用两步协商，当节点B选择要分配的调度单元时使用三步协商。一个调度函数应说 使用两步协商、三步协商、或二者都使用。
6.2.4.4.1.26P两步协商
6P两步协商步骤如下： a）运行在节点A上的调度函数决定将一个或多个额外的调度单元调度到节点B； b）运行在节点A上的调度函数选择候选调度单元供节点B选择，节点A应选择至少同样多的候 选调度单元作为要添加的调度单元数，节点A将这些候选调度单元锁定在它的调度表中，直 到它收到一个6P的响应； C） 节点A向节点B发送一个6P添加请求，表明它应添加调度单元，并指定一个或多个候选调度 单元的列表，每一个调度单元以偏移（时隙偏移，信道偏移）表示，该6P添加请求是节点B在 链路层确认： d）成功发送6P添加请求后，即接收到链路层确认，当未接收到来自节点B的响应时，节点A启 动一个6P超时以中止6P协商； e）运行在节点B上的调度函数从6P添加请求的调度单元列表中选择部分调度单元，节点B将 这些调度单元锁定在各自的调度表中直到该传输成功，即节点B从节点A接收到一个链路确 认，节点B发送回一个6P响应给节点A，指示该调度单元已经被选择，该响应是由节点A的 链路层确认； f）完成此6P协商后网架、夹芯板玻璃屋面网架施工组织设计，协商的调度单元被添加到节点A和节点B的时隙跳频调度表中； g） 11 如果当6P响应在传输时6P超时，或者如果最后一个6P响应的链路层确认丢失了，或者如果 其中一个节点在协商期间电源关闭，调度表可能会不一致，6P提供了一种不一致检测机制来 应对这种情况
6.2.4.4.1.36P三步协商
6P三步协商步骤如下
6.2.4.4.2报文格式
市政排水混凝土管道工程施工方案6.2.4.4.2.16top信息元素
6P信息通过单跳传输。6P信息作为1EEE802.15.4：2020中7.2.9规定的MAC帧IE域的有效负 载被携带，信息被封装在负载IE报头内。 由于在IE中携带6P消息，因此适用IEEE位、字节顺序。IE子类型中每个字段中的位从0开始 编号（最左边和最低有效位)到k一1（最右边和最高有效位），这个字段的长度是k位。长度大于8位的 字段按照小端模式复制到数据包中。 6top信息元素内容的长度是可变的。
6.2.4.4.2.2通用6P报文格式