0 引言

    6LoWPAN作為WSN和IPv6技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，既繼承了IPv6巨大地址空間的優(yōu)勢，又滿足了無線傳感網(wǎng)低功耗的要求，受到了越來越多無線傳感器網(wǎng)絡使用者的喜愛^[1]。就6LoWPAN網(wǎng)絡自身特性而言，它應當和某些外部網(wǎng)絡互連，使外部網(wǎng)絡可以監(jiān)測和控制6LoWPAN網(wǎng)絡才具有更實際的意義。而IP網(wǎng)絡作為目前的主流網(wǎng)絡，如何實現(xiàn)該網(wǎng)絡與6LoWPAN網(wǎng)絡的連通，是目前亟待解決的問題。

    OpenWrt作為一個功能強大的開源路由器Linux系統(tǒng)，用戶可以很方便地對其進行定制、優(yōu)化，從而實現(xiàn)自己的功能需求^[2]。本文設計的基于OpenWrt的6LoWPAN邊界路由器，成功解決了6LoWPAN網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡之間異構(gòu)網(wǎng)絡互通的問題，對于無線傳感網(wǎng)的發(fā)展及促進異構(gòu)網(wǎng)絡之間的無縫融合具有深遠的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

    6LoWPAN邊界路由器作為連接IPv6網(wǎng)絡和6LoWPAN網(wǎng)絡的橋梁，需要同時提供兩種網(wǎng)絡的接入功能，以及數(shù)據(jù)包在兩種不同網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。本文設計的6LoWPAN邊界路由器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括底層硬件、設備驅(qū)動、操作系統(tǒng)及上層應用等幾部分。

    該邊界路由器通過自身的以太網(wǎng)接口與IPv6網(wǎng)絡進行通信，而與6LoWPAN網(wǎng)絡之間的通信，則通過基于IEEE802.15.4的射頻模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)拓撲如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

    6LoWPAN邊界路由器主要用來幫助一些能力受限的6LoWPAN節(jié)點接入IPv6網(wǎng)絡，基于以上目的，該邊界路由設備在硬件設計上需具備較好的協(xié)議執(zhí)行能力和一定的處理能力^[3]。本文設計的6LoWPAN邊界路由器的硬件結(jié)構(gòu)設計如圖3所示，主要包括以太網(wǎng)接入部分和6LoWPAN網(wǎng)絡接入部分，兩部分之間通過串口連接。

    以太網(wǎng)接入部分主控芯片選用的是臺灣雷凌(Ralink)科技公司推出的一款高集成低成本SOC芯片RT5350F。該芯片是一顆高性能的MIPS 24Kc CPU內(nèi)核，最高主頻為360 MHz，較高的主頻保證了一定的處理能力。除此之外，該部分采用16 MB Flash閃存作為程序存儲器，采用32 MB的16 bit SDRAM作為內(nèi)存，可以嵌入完整的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡通信功能，同時還能有足夠的空間用于安裝程序以及依賴庫，滿足用戶的功能擴展需求。

    由于RT5350只提供了IEEE802.11協(xié)議的射頻接口，而6LoWPAN協(xié)議目前是建立在IEEE802.15.4標準上，所以需要采用其他芯片來提供6LoWPAN網(wǎng)絡接入的功能支持。本文采用以CC2530F256芯片為主的射頻接入模塊及其外部功能拓展電路，提供向6LoWPAN網(wǎng)絡的接入。

3 系統(tǒng)軟件設計

    為實現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的互連，邊界路由器必須同時具有IPv6和6LoWPAN標準。雖然6LoWPAN協(xié)議是由IPv6協(xié)議轉(zhuǎn)變而來，但該協(xié)議具有自己的特殊性：它包含一個適配層來實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4鏈路上的傳輸^[4]。

    由于IPv6數(shù)據(jù)包的最大傳輸單元為1 280 B，而IEEE802.15.4定義MAC層的每一幀的長度為127 B，這樣就會造成IPv6數(shù)據(jù)報和IEEE802.15.4幀在長度上的不匹配，許多IPv6數(shù)據(jù)包不能完整地放進一個IEEE802.15.4幀中進行傳輸^[5]。為了解決這一問題，IPv6數(shù)據(jù)包需要在適配層進行分片和重組，同時還要對數(shù)據(jù)包的頭部進行壓縮，以適應IEEE802.15.4幀的大小^[6]。

    根據(jù)以上情況，對6LoWPAN邊界路由器協(xié)議棧部分進行了如圖4所示的設計：先分別實現(xiàn)IPv6和6LoWPAN協(xié)議棧，然后通過SLIP(Serial Line Internet Protocol)協(xié)議在兩種協(xié)議棧間建立一個串行通信鏈路，讓兩種異構(gòu)網(wǎng)絡能夠通過該鏈路進行IP數(shù)據(jù)報的傳輸，從而實現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡之間的通信。

3.1 IPv6接入模塊

    該模塊的建立主要采用OpenWrt操作系統(tǒng)來完成。該系統(tǒng)使用uClibc、busybox和shell解釋器等，通過嵌入式Linux工具，提供硬件抽象層和軟件包管理，系統(tǒng)的內(nèi)部組成如圖5所示。用戶只需要重新編譯uClibc和軟件包以匹配目標架構(gòu)，從而獲得在不同嵌入式設備上相同的應用程序。鑒于OpenWrt嵌入式系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，它非常適合應用于IP網(wǎng)絡接入模塊。

3.2 6LoWPAN接入模塊

    6LoWPAN接入模塊主要是基于Contiki操作系統(tǒng)實現(xiàn)，該系統(tǒng)作為一個可以高度移植、支持多任務環(huán)境并且開源免費的嵌入式操作系統(tǒng)，非常適合用于6LoWPAN接入模塊的設計。該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由三部分組成：uIP協(xié)議棧、Rime協(xié)議棧和上層應用程序。

    uIP是一個小型的符合RFC規(guī)范的TCP/IP協(xié)議棧，使得Contiki可以直接和Internet通信。uIP協(xié)議棧主要任務是處理由底層驅(qū)動收到的數(shù)據(jù)包，或者將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包交由底層設備驅(qū)動來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)^[7]。而其包含的網(wǎng)絡層RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Network）協(xié)議，則提供了6LoWPAN的組網(wǎng)功能。

    MAC層的Rime是一個輕量級的、為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡設計的協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供了大量的通信原語，能夠?qū)崿F(xiàn)從簡單的一跳廣播通信到復雜的可靠多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄐ殴δ?sup>[8]。

    上層應用程序主要包括橋接程序和邊界路由程序。前者用于通過SLIP串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)包向RPL接口的轉(zhuǎn)發(fā)，它是RPL數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換的中間層。后者負責向IP接入模塊請求本節(jié)點的子網(wǎng)前綴，初始化6LoWPAN接入模塊，并定時維護組建的6LoWPAN網(wǎng)絡。

3.3 兩種協(xié)議棧之間通道的建立

    兩個協(xié)議棧之間通道的建立主要借助tun虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動和SLIP協(xié)議來實現(xiàn)。其中，tun虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動主要用來接收來自TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包并發(fā)送，或者反過來將接收到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳給協(xié)議棧處理；同時該部分還要承擔在點對點設備傳輸過程中，對數(shù)據(jù)包進行相應封裝的任務。至于封裝格式，主要由點對點設備傳輸方式?jīng)Q定，本文采用的是SLIP協(xié)議，是在鏈路層上傳輸?shù)拇芯€路網(wǎng)際協(xié)議，主要對要傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包進行簡單的封裝，即加上相應的頭部和尾部，并對數(shù)據(jù)包進行適當?shù)男薷模乐诡^部和尾部的誤判。 

    以上通道的建立主要在OpenWrt系統(tǒng)上實現(xiàn)，通過一個tunslip6程序來建立相應的虛擬網(wǎng)卡和SLIP封裝。具體的SLIP通道處理數(shù)據(jù)的流程可以用圖7來描述。

3.4 整個邊界路由的運行過程

    當邊界路由器的射頻接口接收到了6LoWPAN子網(wǎng)發(fā)送來的比特流后， 先需要經(jīng)過適配層對數(shù)據(jù)包進行分片整合，整合成一個完整的IPv6數(shù)據(jù)包。之后傳遞到網(wǎng)絡層，經(jīng)由RPL路由協(xié)議判定數(shù)據(jù)包的目的地址是否是在6LoWPAN網(wǎng)絡中。如果是，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到6LoWPAN網(wǎng)絡中；如果不是，則繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)包的目的地址前綴是否屬于6LoWPAN網(wǎng)絡。如果屬于，則因為沒有目的端的路由，丟棄；如果不屬于，則轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6接入模塊。在IPv6接入模塊中，先判斷是否存在目的地址的路由，如果存在，則直接發(fā)送到相應的IPv6主機；如果不存在目的端的路由，則應進行鄰居發(fā)現(xiàn)操作，根據(jù)結(jié)果對數(shù)據(jù)包做出相應處理。整個過程如圖8所示。

    該邊界路由器對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的處理流程與上述處理6LoWPAN數(shù)據(jù)包的過程相反，本文不再贅述。

4 測試

    為了驗證本文設計的6LoWPAN邊界路由器是否能夠連通IPv6網(wǎng)絡和6LoWPAN網(wǎng)絡，進行了連通性測試。測試過程中除了邊界路由器外，還包括兩個6LoWPAN傳感器節(jié)點和一臺IPv6主機。

    首先放置兩個傳感器節(jié)點在離邊界路由器10 m左右距離的位置，邊界路由器通過LAN口和IPv6主機連接。由于實驗室沒有提供IPv6網(wǎng)絡的接入，所以邊界路由器的WAN口暫不使用。之后在IPv6主機上分別對兩個傳感器節(jié)點進行ping命令測試。從測試結(jié)果可以看出，響應時間在30 ms內(nèi)，并且數(shù)據(jù)包無丟失，能夠保證IPv6網(wǎng)絡和6LoWPAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于OpenWrt操作系統(tǒng)的6LoWPAN邊界路由器的實現(xiàn)方法，通過在邊界路由器上分別實現(xiàn)兩種協(xié)議棧，并在協(xié)議棧之間建立SLIP通道來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在兩種異構(gòu)網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。通過對邊界路由器進行ping命令的測試，證明該方案是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡和IPv6網(wǎng)絡主機之間的通信。而在現(xiàn)實應用中，可以作為物聯(lián)網(wǎng)設備接入互聯(lián)網(wǎng)的中間網(wǎng)關(guān)設備隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的大量使用，該設備具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].電子與信息學報，2013，35(1)：215-227.

[2] 曹為華，凌強，張雷，等.基于OpenWrt系統(tǒng)路由器的模式切換與網(wǎng)頁設計[J].微型機與應用，2015，34(23)：91-94.

[3] 田廣東，葉鑫.基于Contiki的6LoWPAN邊界路由器的設計[J].電子技術(shù)應用，2016，42(3)：61-63.

[4] 梁少剛，周小龍.6LoWPAN邊界路由器應用研究與實現(xiàn)[J].廣東通信技術(shù)，2015，35(1)：22-26.

[5] Zach Shelby，Samita Charabarti.Neighbor discovery optimization for IPv6 over low-power wireless personal area networs[S].IETF，RFC6775，2012.

[6] 張效奎.物聯(lián)網(wǎng)中輕量級IPv6協(xié)議的研究與應用[D].上海：東華大學，2013.

[7] 李鳳國.基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡研究與實現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學，2013.

[8] SHELBY Z，CHAKRABARTI S，NORDMARK E，et al.Neighbor discovery optimization for IPv6 over low-power wireless personal area networks(6Lo WPANs)[S].IETF，RFC6775，2012.

作者信息：

吉福生1，2，王亞琛1，2，華  磊1，2

（1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065；2.重慶高校市級光通信與網(wǎng)絡重點實驗室，重慶400065）