文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.017
中文引用格式： 吉福生，王亞琛，華磊. 基于OpenWrt的6LoWPAN邊界路由器的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(6)：68-70，74.
英文引用格式： Ji Fusheng，Wang Yachen，Hua Lei. The realize of border router in 6LoWPAN based on OpenWrt[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：68-70，74.
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(shì)，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(luò)使用者的喜愛[1]。就6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)自身特性而言，它應(yīng)當(dāng)和某些外部網(wǎng)絡(luò)互連，使外部網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)和控制6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)才具有更實(shí)際的意義。而IP網(wǎng)絡(luò)作為目前的主流網(wǎng)絡(luò)，如何實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的連通，是目前亟待解決的問題。
OpenWrt作為一個(gè)功能強(qiáng)大的開源路由器Linux系統(tǒng)，用戶可以很方便地對(duì)其進(jìn)行定制、優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)自己的功能需求[2]。本文設(shè)計(jì)的基于OpenWrt的6LoWPAN邊界路由器，成功解決了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)之間異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通的問題，對(duì)于無線傳感網(wǎng)的發(fā)展及促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫融合具有深遠(yuǎn)的意義。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
6LoWPAN邊界路由器作為連接IPv6網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的橋梁，需要同時(shí)提供兩種網(wǎng)絡(luò)的接入功能，以及數(shù)據(jù)包在兩種不同網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。本文設(shè)計(jì)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(dòng)、操作系統(tǒng)及上層應(yīng)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(luò)進(jìn)行通信，而與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間的通信，則通過基于IEEE802.15.4的射頻模塊來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
6LoWPAN邊界路由器主要用來幫助一些能力受限的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)接入IPv6網(wǎng)絡(luò)，基于以上目的，該邊界路由設(shè)備在硬件設(shè)計(jì)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(jì)的6LoWPAN邊界路由器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，主要包括以太網(wǎng)接入部分和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)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(tái)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(chǔ)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(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時(shí)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)上，所以需要采用其他芯片來提供6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)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(luò)的接入。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，邊界路由器必須同時(shí)具有IPv6和6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)適配層來實(shí)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(huì)造成IPv6數(shù)據(jù)報(bào)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(jìn)一個(gè)IEEE802.15.4幀中進(jìn)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(jìn)行分片和重組，同時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)包的頭部進(jìn)行壓縮，以適應(yīng)IEEE802.15.4幀的大小[6]。
根據(jù)以上情況，對(duì)6LoWPAN邊界路由器協(xié)議棧部分進(jìn)行了如圖4所示的設(shè)計(jì)：先分別實(shí)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(gè)串行通信鏈路，讓兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠通過該鏈路進(jìn)行IP數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)架構(gòu)，從而獲得在不同嵌入式設(shè)備上相同的應(yīng)用程序。鑒于OpenWrt嵌入式系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，它非常適合應(yīng)用于IP網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)作為一個(gè)可以高度移植、支持多任務(wù)環(huán)境并且開源免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)，非常適合用于6LoWPAN接入模塊的設(shè)計(jì)。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(yīng)用程序。
uIP是一個(gè)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(wù)是處理由底層驅(qū)動(dòng)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(dòng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)[7]。而其包含的網(wǎng)絡(luò)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(gè)輕量級(jí)的、為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(fù)雜的可靠多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄐ殴δ?sup>[8]。
上層應(yīng)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(shí)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(fù)責(zé)向IP接入模塊請(qǐng)求本節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)前綴，初始化6LoWPAN接入模塊，并定時(shí)維護(hù)組建的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。
3.3 兩種協(xié)議棧之間通道的建立
兩個(gè)協(xié)議棧之間通道的建立主要借助tun虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和SLIP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。其中，tun虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)主要用來接收來自TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并發(fā)送，或者反過來將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳給協(xié)議棧處理；同時(shí)該部分還要承擔(dān)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備傳輸過程中，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)封裝的任務(wù)。至于封裝格式，主要由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)要傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡單的封裝，即加上相應(yīng)的頭部和尾部，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)，通過一個(gè)tunslip6程序來建立相應(yīng)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(gè)邊界路由的運(yùn)行過程
當(dāng)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(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片整合，整合成一個(gè)完整的IPv6數(shù)據(jù)包。之后傳遞到網(wǎng)絡(luò)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(luò)中。如果是，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)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(luò)。如果屬于，則因?yàn)闆]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(yīng)的IPv6主機(jī)；如果不存在目的端的路由，則應(yīng)進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)操作，根據(jù)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)包做出相應(yīng)處理。整個(gè)過程如圖8所示。
該邊界路由器對(duì)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(cè)試
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的6LoWPAN邊界路由器是否能夠連通IPv6網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了連通性測(cè)試。測(cè)試過程中除了邊界路由器外，還包括兩個(gè)6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)IPv6主機(jī)。
首先放置兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)連接。由于實(shí)驗(yàn)室沒有提供IPv6網(wǎng)絡(luò)的接入，所以邊界路由器的WAN口暫不使用。之后在IPv6主機(jī)上分別對(duì)兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ping命令測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可以看出，響應(yīng)時(shí)間在30 ms內(nèi)，并且數(shù)據(jù)包無丟失，能夠保證IPv6網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)方法，通過在邊界路由器上分別實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧，并在協(xié)議棧之間建立SLIP通道來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。通過對(duì)邊界路由器進(jìn)行ping命令的測(cè)試，證明該方案是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的通信。而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35(1)：215-227.
[2] 曹為華，凌強(qiáng)，張雷，等.基于OpenWrt系統(tǒng)路由器的模式切換與網(wǎng)頁設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34(23)：91-94.
[3] 田廣東，葉鑫.基于Contiki的6LoWPAN邊界路由器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：61-63.
[4] 梁少剛，周小龍.6LoWPAN邊界路由器應(yīng)用研究與實(shí)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(jí)IPv6協(xié)議的研究與應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2013.
[7] 李鳳國.基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，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(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.重慶高校市級(jí)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）