基于OpenWrt的6LoWPAN邊界路由器的實(shí)現(xiàn)

　　OpenWrt 可以被描述為一個(gè)嵌入式的 Linux 發(fā)行版，（主流路由器固件有 dd-wrt，tomato，openwrt三類）而不是試圖建立一個(gè)單一的、靜態(tài)的系統(tǒng)。OpenWrt的包管理提供了一個(gè)完全可寫(xiě)的文件系統(tǒng)，從應(yīng)用程序供應(yīng)商提供的選擇和配置，并允許您自定義的設(shè)備，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序。

　　對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，OpenWrt 是使用框架來(lái)構(gòu)建應(yīng)用程序，而無(wú)需建立一個(gè)完整的固件來(lái)支持；對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這意味著其擁有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用該設(shè)備。

　　6LoWPAN是一種基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6 over IEEE 802.15.4。

　　將IP協(xié)議引入無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)一直被認(rèn)為是不現(xiàn)實(shí)的（不是完全不可能）。迄今為止，無(wú)線網(wǎng)只采用專用協(xié)議，因?yàn)镮P協(xié)議對(duì)內(nèi)存和帶寬要求較高，要降低它的運(yùn)行環(huán)境要求以適應(yīng)微控制器及低功率無(wú)線連接很困難。

　　基于IEEE 802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的IETF 6LoWPAN［1］ 草案標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN所具有的低功率運(yùn)行的潛力使它很適合應(yīng)用在從手持機(jī)到儀器的設(shè)備中，而其對(duì)AES-128加密的內(nèi)置支持為強(qiáng)健的認(rèn)證和安全性打下了基礎(chǔ)。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)用于開(kāi)發(fā)可以靠電池運(yùn)行1到5年的緊湊型低功率廉價(jià)嵌入式設(shè)備（如傳感器）。該標(biāo)準(zhǔn)使用工作在2.4GHz頻段的無(wú)線電收發(fā)器傳送信息，使用的頻帶與Wi-Fi相同，但其射頻發(fā)射功率大約只有Wi-Fi的1%。這限制了IEEE 802.15.4設(shè)備的傳輸距離，因此，多臺(tái)設(shè)備必須一起工作才能在更長(zhǎng)的距離上逐跳傳送信息和繞過(guò)障礙物。

　　基于OpenWrt的6LoWPAN邊界路由器的實(shí)現(xiàn)

　　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(wú)線傳感網(wǎng)低功耗的要求，受到了越來(lái)越多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用者的喜愛(ài)［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(wèn)題。

　　OpenWrt作為一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)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(wèn)題，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)的發(fā)展及促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)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(guò)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(guò)基于IEEE802.15.4的射頻模塊來(lái)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(lái)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(guò)串口連接。

　　以太網(wǎng)接入部分主控芯片選用的是***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(kù)，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(lái)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(lái)，但該協(xié)議具有自己的特殊性：它包含一個(gè)適配層來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)完成。該系統(tǒng)使用uClibc、busybox和shell解釋器等，通過(guò)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(kāi)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(lái)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(wú)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(yǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)從簡(jiǎn)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埽?］。

　　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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，tun虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)主要用來(lái)接收來(lái)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(guò)來(lái)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(guò)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(jiǎn)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?，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(shí)現(xiàn)，通過(guò)一個(gè)tunslip6程序來(lái)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(lái)描述。

　　3.4 整個(gè)邊界路由的運(yùn)行過(guò)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(lái)的比特流后， 先需要經(jīng)過(guò)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](méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)LAN口和IPv6主機(jī)連接。由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)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。