0 引言

    自從物聯網概念的提出，6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）邊界路由器就是主要的研究內容之一。為實現Internet網絡與無線傳感器網絡的互聯，IETF工作組早在2004年就提出并制定了基于IPv6的以IEEE802.15.4作為底層標準的低功耗無線個域網6LoWPAN技術標準，其主要包括6LoWPAN適配層、IPv6報頭壓縮與解壓、數據分片與重組、路由協議、IPv6網絡接入和節(jié)點地址管理技術等^[1]。

    目前6LoWPAN協議已實現在多種開源系統(tǒng)上，例如6LBR、Contiki，本文采用開源的、高度可移植的6LBR和Contiki操作系統(tǒng)。其中，Contiki是一個開源的專門為需要聯網、硬件資源嚴重受限的嵌入式設備而設計的事件驅動多任務操作系統(tǒng)^[2]，通過uIP協議棧提供了對IPv4和IPv6的TCP/IP協議的支持，還包含了一套輕量級的無線傳感器網絡協議棧Rime；同時在IPv6中還實現了6LoWPAN協議、RPL無線路由協議以及應用層協議CoAP。6LBR是為工業(yè)應用準備的6LoWPAN/RPL邊界路由解決方案，它運行在低成本、開放的硬件平臺和Linux主機上，因此6LBR更符合未來邊界路由器的發(fā)展方向，其設計思路更能滿足今后的應用需求^[2]。

    本文在Contiki和OpenWrt的基礎上，將6LBR移植到嵌入式OpenWrt系統(tǒng)上，設計了一種實用的邊界路由器。其能夠完成IP協議棧和6LoWPAN協議棧之間的轉換，使IP網絡中的主機可以訪問6LoWPAN傳感網絡中的節(jié)點^[3]。

1 邊界路由器實現方案

    OpenWrt是一個基于Linux內核的路由器操作系統(tǒng)，支持各種處理器架構，對擁有ARM架構的TL-WR703N路由器有很好的支持。提供簡單易用的環(huán)境框架以及模塊化設計來構架自己的應用程序，這大大方便了開發(fā)應用程序和6LBR移植到OpenWrt系統(tǒng)中。本文在OpenWrt系統(tǒng)的基礎上，提出了兩種6LoWPAN邊界路由器的解決方案，分別是6LBR-OpenWrt邊界路由器方案和OpenWrt邊界路由器解決方案。

2 6LBR-OpenWrt邊界路由器

2.1 6LBR-OpenWrt邊界路由器系統(tǒng)結構

    6LBR用于將基于802.15.4與6LoWPAN的無線傳感器網絡和基于以太網的IPv6網絡連接起來。6LBR設計靈活，它可以配置為支持各種網絡拓撲結構用于連接無線傳感器網絡與IP世界。路由器TL-WR703N不能直接與6LoWPAN網絡中的網絡子節(jié)點進行無線通信，要采用運行Contiki程序的CC1310DK芯片，程序帶有相關SLIP協議，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 6LBR的運行模式

    6LBR目前有兩種運行方式：網橋模式和路由模式。在路由模式中，子節(jié)點構成的6LoWPAN無線傳感器網絡和以太網有不同的網絡前綴；在網橋模式中，前綴則一樣。文獻[2]和文獻[4]詳細介紹了6LBR的幾種模式，網橋模式不再贅述。在本文用到的路由器模式中，6LBR當作一個完整的IPv6路由器，用于連接以太網和6LoWPAN網絡。6LoWPAN網絡由RPL協議來管理，以太網端通過IPv6鄰居發(fā)現協議管理。在這種模式下，通過數據包過濾器模塊，6LBR向Contiki提供了一個虛擬的接口。路由器模式可以將傳感器網絡分隔成一個獨立的子網，這樣能清晰地分辨出無線傳感器中的節(jié)點；由于網絡前綴有切換功能，節(jié)點可以在不同的6LoWPAN網絡中移動；節(jié)點會根據新的網絡前綴獲得一個新的地址，路由器模式結構如圖2所示。

2.3 軟件設計

    本文采用路由器模式，CC1310上運行的Slip-radio程序可以實現6LBR Linux進程和802.15.4無線電的通信，通過串口收發(fā)數據。MAC（Medium Acess Control）層在6LBR里，驅動方式為載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Acess，CSMA)；RDC(Radio Duty Cycling)層在Slip-radio里，MAC層接收RDC層發(fā)來的數據，并通過RDC發(fā)送數據；如果RDC層檢測到數據碰撞，MAC重發(fā)此數據。6LBR移植到TL-WR703N路由器上之后，需要在路由器上創(chuàng)建6lbr.conf文件，其主要內容如下：

    MODE=ROUTER

    RAW_ETH=0

    BRIDGE=1

    ETH_JOIN_BRIDGE=0

    DEV_BRIDGE=br-lan

    DEV_TAP=tap0

    DEV_ETH=br-lan

    RAW_ETH_FCS=0

    DEV_RADIO=/dev/ttyUSB0  BAUDRATE=9600

    CC1310DK與TL-WR703N串口連接，路由器上系統(tǒng)會根據串口生成一個虛擬網卡tap0，br-lan包括有線lan口和無線網；然后讓tap0口和br-lan口相接。PC通過lan口把數據傳給TL-WR703N，數據經過6LBR處理之后通過tap0即串口發(fā)送給CC1310，CC1310通過無線的方式將數據傳給6LoWPAN傳感器網絡。

3 OpenWrt邊界路由器

3.1 OpenWrt邊界路由器系統(tǒng)結構

    OpenWrt邊界路由器也采用到CC1310DK芯片，與第一種方案不同的是，CC1310DK芯片不僅作為與6LoWPAN傳感器網絡連接的802.15.4接口，還作為無線傳感器網絡的RPL根節(jié)點，支持對網絡的路由功能和管理RPL網絡，集成了6LoWPAN適配層，并能完成IPv6協議和IEEE802.15.4協議的轉換，使完整的6LoWPAN/RPL網絡和OpenWrt邊界路由器實現通信，因此真正起到6LoWPAN邊界路由器功能的是CC1310DK。TP-WR703N通過以太網網口或者無線的方式與計算機主機連接，這樣OpenWrt邊界路由器便實現了處理來自IP網絡和WSN的IPv6之間轉發(fā)的數據。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3.2 軟件設計

    CC1310DK通過USB接口與TL-WR703N連接，此時串口在路由器上生成/dev/ttyUSB0端口號，OpenWrt上的tunslip6軟件包把端口號虛擬成tun0網卡。可以實現在TL-WR703N上ping通6LoWPAN傳感器網絡中的子節(jié)點，外部網絡如PC通過lan口ping通邊界路由器，但無法ping通6LoWPAN傳感器網絡中的子節(jié)點；為了實現IP網絡與6LoWPAN傳感器網絡的通信，有兩種方式，第一種是對OpenWrt里的firewall/files里添加如下配置：

    config zone option input 'ACCEPT'

                option forward 'REJECT'

                option output 'ACCEPT'

                option name '6lowpan'

                option network 'lan6'

    config forwarding   option dest 'lan'

                        option src '6lowpan'

    config forwarding   option dest '6lowpan'

                        option src 'lan'

    在socket-support軟件包里加入如下腳本命令：

    uci set network.lan6=interface

    uci set network.lan6.proto=static

    uci set network.lan6.ifname=tun0

    uci set network.lan6.ip6assign=64

    uci commit network

    Uci命令行添加了一個tun0的網口，tun0是6LoWPAN傳感器網絡和邊界路由器通信的接口，這個配置就是讓lan口和tun0口相通，兩者可以相互轉發(fā)數據。

    6LoWPAN子節(jié)點里運行帶有CoAP協議的程序。CoAP協議（Constrained Application Protocol)是為物聯網中資源受限設備制定的基于UDP的應用層傳輸協議，可讓小型設備接入互聯網世界。Libcoap是CoAP協議的C語言實現，它提供了server和client的功能。6LoWPAN子節(jié)點用作server端；OpenWrt提供了Libcoap軟件包，TL-WR703N路由器可作client端，通過coap-client指令實現路由器對6LoWPAN無線傳感器網絡中子節(jié)點的數據通信。實際上目前的通信僅在TL-WR703N路由器和傳感器網絡構成的局域網實現。外部網絡通過對路由器TL-WR703N的操作實現通信，因此本文第二種方式為在OpenWrt系統(tǒng)上開發(fā)了軟件包socket-support，軟件包主要基于socket程序在Linux下開發(fā)了服務器端，通信協議為TCP協議，計算機、手機等外部設備運行客戶端。

    這兩種方式的數據通信除了在PC端接收發(fā)送不同外，基本是一樣的。PC通過以太網口將數據傳遞給路由器TL-WR703N，運行border-router程序的CC1310與路由器通信接口是虛擬網卡tun0。CC1310可以看作是6LoWPAN網關節(jié)點,網關節(jié)點通過SLIP協議從路由器收到數據包，數據包格式為IPv6，而無線傳感網絡通信標準為IEEE 802.15.4。所以網關節(jié)點利用6LoWPAN適配層對數據包進行報頭壓縮、數據分片，處理后的數據根據目的地址也就是6LoWPAN網絡子節(jié)點的IPv6地址發(fā)送下去；子節(jié)點收到數據后進行數據重組，響應命令，將采集到的數據壓縮、分片后傳給網關節(jié)點，6LoWPAN網關節(jié)點對收到的數據重組通過tun0口傳給路由器，路由器通過以太網口傳到IPv6網絡上。其通信過程如圖4所示。

4 邊界路由器功能驗證

    由于6LBR是作為軟件包應用程序移植到OpenWrt上的，為了測試應用方便，可以在第二種方案的基礎上選擇6LBR應用程序包。這兩種方案都需要邊界路由器串口連接CC1310DK，TP-WR703N目前只提供一個端口，所以在調試時只能分開測試驗證。

4.1 6LBR-Openwrt邊界路由器連通性測試

    連通性測試主要采取如下步驟： 

    (1)在PC端打開cmd.exe或者，執(zhí)行如下命令ping-6 bbbb::100，測試PC到網關已通，如圖5所示。

    (2)在運行有Copper插件的火狐瀏覽器內輸入coap：//[子節(jié)點IPv6地址]:5683/，可以訪問子節(jié)點的Web端程序，然后可以選擇特定的資源使用GET/POST/PUT/DELETE來獲取資源的具體內容，可以看出子以太網和無線網的IPv6地址前綴并不相同，因此工作方式為路由模式，如圖6所示。

4.2 OpenWrt邊界路由器連通性測試

    (1)打開網絡調試助手，選擇TCP Client模式連接邊界路由器，輸入getip和getipall命令可得到邊界路由器的IPv6地址以及子節(jié)點的IPv6地址，如圖7所示。

    (2)ping6子節(jié)點地址進行ping連通性測試，也可將子節(jié)點的IPv6地址輸入到瀏覽器地址欄里訪問子節(jié)點Web界面。既可在Web頁面進行GET/POST/PUT/DELETE命令操作，也可在網絡調試助手內輸入coap命令進行對子節(jié)點控制，如：coap-client-m get coap://:[子節(jié)點IPv6地址]:5683/sen/batmon/tem-p（得到子節(jié)點芯片的溫度值29）。因此可根據具體的實際應用選擇Web端頁面的方式還是網絡調試助手，如圖8所示。

5 結論

    本文以Contiki、6LBR以及OpenWrt等多個開源系統(tǒng)為基礎，從多方面設計研究了6LoWPAN邊界路由器，提出了多種可實施的解決方案。從測試結果可看出，所設計的6LoWPAN邊界路由器達到了預期的設計目標，可以根據具體無線傳感網絡應用場合選擇合適的邊界路由器，下一步將陸續(xù)完善邊界路由器并應用到環(huán)境檢測中。

參考文獻

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[6] 楊勇.基于Contiki的6LoWPAN網關節(jié)點設計[D].武漢：華中師范大學，2013.

[7] 朱若鑫.基于多個開源系統(tǒng)的6LoWPAN技術在物聯網應用中的研究[D].昆明：云南大學，2015.

[8] 常英亮.基于嵌入式Linux的物聯網網關研究與實現[D].北京：北京交通大學，2014.

[9] 盛李立.基于Contiki操作系統(tǒng)的無線傳感器網絡節(jié)點的設計與實現[D].武漢：武漢工程大學，2012.

作者信息:

鄔明彪1，2，吳桂清1，陳清華2

（1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082；2.浙江清華長三角研究院，浙江 嘉興314006）