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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備在硬件設(shè)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(shè)計的6LoWPAN邊界路由器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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?，防止頭部和尾部的誤判。 

    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(shè)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(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的中間網(wǎng)關(guān)設(shè)備隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大量使用,，該設(shè)備具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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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）