文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.017
中文引用格式： 田廣東，葉鑫. 基于Contiki的6LoWPAN邊界路由器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：61-63，70.
英文引用格式： Tian Guangdong，Ye Xin. Design of 6LoWPAN border router based on Contiki[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：61-63，70.
0 引言
6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議，旨在為嵌入式設(shè)備，如無線傳感節(jié)點提供IPv6連接[1]。6LoWPAN的出現(xiàn)以全IP的方式真正解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。6LoWPAN已經(jīng)得到了Google、Cisco、Honeywell等公司的高度重視，有望取代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前已經(jīng)有很多關(guān)于6LoWPAN的應(yīng)用[2]。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)底層使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在MAC層和IPv6網(wǎng)絡(luò)層之間引入適配層,主要提供包分片與重組、頭部壓縮和鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)等功能。
目前已經(jīng)有多種開源或商業(yè)的6LoWPAN協(xié)議棧的實現(xiàn)[3]，其中基于Contiki的SICSlowpan以其開源、可移植性好、超輕量級、長期維護等優(yōu)勢得到了廣泛關(guān)注。SICSlowpan符合RFC4944標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)了頭部編碼壓縮、分片、地址分配等功能,具有較好的互操作性。
6LoWPAN邊界路由器是連接6LoWPAN傳感網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)的橋梁，使兩者的互操作成為可能。6LoWPAN邊界路由器的基本功能有：完成IP協(xié)議棧和6LoWPAN協(xié)議棧之間的轉(zhuǎn)換，使IP網(wǎng)絡(luò)中的主機可以訪問6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點。本文的目標(biāo)就是在Contiki的基礎(chǔ)下，設(shè)計一種實用的6LoWPAN邊界路由器，為進一步研究6LoWPAN奠定基礎(chǔ)。典型的基于Contiki實現(xiàn)的6LoWPAN協(xié)議棧如圖1所示。
1 系統(tǒng)組成和目標(biāo)
6LoWPAN邊界路由器也可以看成是一種網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器，可連接傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)并自動完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。為了驗證6LoWPAN邊界路由器在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換中的作用，本文設(shè)計了一個包含1個6LoWPAN邊界路由器、2個6LoWPAN節(jié)點，1臺PC的測試網(wǎng)絡(luò)，整體測試網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
本文設(shè)計的6LoWPAN邊界路由器在實現(xiàn)無縫連接IP網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)的過程中具有下列特點：(1)遵循6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，鏈路層基于ContikiMac，采用RDC機制，有效降低功耗，路由協(xié)議采用Router Over方式，基于ContikiRPL，支持RPL協(xié)議[4]；(2)兼容IPv4網(wǎng)絡(luò)，即能實現(xiàn)IPv4客戶端和6LoWPAN傳感網(wǎng)之間的通信[5]；(3)無縫連接IPv6網(wǎng)絡(luò)，支持6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議6LoWPAN ND[6]；(4)支持ping等簡單的常用網(wǎng)絡(luò)管理命令，方便網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試。
2 硬件設(shè)計
6LoWPAN邊界路由器是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的核心，處理能力要求較高，但從性能和成本兩方面考慮，邊界路由器的主控并沒有采用高性能ARM芯片，而是采用了TI公司的片上系統(tǒng)解決方案CC2538芯片，CC2538基于ARM Cortex-M3架構(gòu)，內(nèi)部資源豐富，性能強勁，能很好地支持最新的Contiki3.x版本，完全可以滿足本文的設(shè)計要求。以太網(wǎng)模塊采用ENC28J60芯片及HR911105A網(wǎng)絡(luò)變壓器。為了調(diào)試方便，本文設(shè)計了USB轉(zhuǎn)串口模塊，用于在PC上打印信息，其驅(qū)動芯片采用cp2102。邊界路由器的整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
為了便于后續(xù)的功能擴展及滿足各種需求，本6LoWPAN傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計基本與6LoWPAN邊界路由器相同，不同之處在于去掉了以太網(wǎng)模塊，其他部分設(shè)計與邊界路由器相同。
3 軟件設(shè)計
6LoWPAN邊界路由器的軟件實現(xiàn)主要基于Contiki協(xié)議棧，Contiki以函數(shù)指針結(jié)構(gòu)體的形式在每一層定義了很多鉤子函數(shù)，或者稱為服務(wù)接入點。每一層不同的實現(xiàn)可以很容易連接到這些鉤子函數(shù)，緊接著就可以通過函數(shù)指針訪問。具體來說，首先要深入分析Contiki內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)本文需求對Contiki原有的協(xié)議棧進行相應(yīng)的修改，增添所需的額外功能，本設(shè)計要求至少要兼容IPv4網(wǎng)絡(luò)的通信。
由于6LoWPAN是為支持IPv6而設(shè)計的，但當(dāng)前仍有大量的設(shè)備只能運行IPv4協(xié)議，因此，本文在應(yīng)用層定義了一個IPv6/IPv4適配器，其作用就是兼容IPv4協(xié)議同時還能驗證客戶端輸入指令的有效性。當(dāng)邊界路由器初始化完畢后，該應(yīng)用層適配器會創(chuàng)建一個IPv4套接字接口用于監(jiān)聽IPv4連接。IPv4主機收到的命令會被適配器提取出來經(jīng)分析并判定是否需要轉(zhuǎn)發(fā)到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。如果命令無效或者目的節(jié)點失效，將會返回一個錯誤消息給IPv4主機。經(jīng)過這一確認(rèn)過程，包含該命令的IPv6數(shù)據(jù)包就被轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的6LoWPAN節(jié)點。與此同時，適配器還會啟動一個定時器，如果該命令的應(yīng)答沒有在規(guī)定的時間內(nèi)返回，同樣會返回一個錯誤信息給主機端；如果正常，適配器會收到6LoWPAN節(jié)點的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會被提取出來，壓縮在IPv4報文中并發(fā)送給IPv4主機端。
圖4描述了報文經(jīng)由邊界路由器在IPv6客戶端和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間交換的通信過程。該通信過程分為兩個階段：IPv6客戶端發(fā)送命令給6LoWPAN節(jié)點以及6LoWPAN節(jié)點返回應(yīng)答。邊界路由器主要完成壓縮、解壓縮、分片及重組等工作。
類似的，IPv4主機和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間的消息流程可以從圖5中看出。同樣可將其看成兩個階段：IPv4主機發(fā)送命令給6LoWPAN節(jié)點以及6LoWPAN節(jié)點返回應(yīng)答。這里邊界路由器更像是一個服務(wù)器，等待IPv4來連接特定的端口，所有來自IPv4主機的命令都被轉(zhuǎn)交給邊界路由器而不是6LoWPAN節(jié)點。這些命令包含目的節(jié)點或節(jié)點ID號以及要執(zhí)行的動作。它們被壓縮在IPv4數(shù)據(jù)包中并被遞交給IPv4/IPv6適配器，適配器會執(zhí)行相應(yīng)的動作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)命令是無效的，邊界路由器會發(fā)送一個錯誤消息給IPv4主機，避免再同6LoWPAN節(jié)點通信這一多余過程。
4 邊界路由器功能驗證
為了驗證6LoWPAN邊界路由器確實發(fā)揮了應(yīng)有的作用，讓兩個6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN邊界路由器彼此相距10 m遠(yuǎn)，6LoWPAN邊界路由器經(jīng)以太網(wǎng)接口以有線方式接入Internet，6LoWPAN節(jié)點和6LoWPAN邊界路由器之間則通過無線方式連接。設(shè)定讓6LoWPAN節(jié)點以一定時間間隔循環(huán)向PC發(fā)送ASCII碼字節(jié)數(shù)據(jù)流，為了便于觀察效果，設(shè)定讓串口打印出相關(guān)信息，利用串口助手可以很方便地看到相關(guān)的數(shù)據(jù)。
4.1 連通性測試
聯(lián)通性測試主要利用ping命令來測試PC和6LoWPAN邊界路由器的連通性。圖6所示為6LoWPAN邊界路由器啟動時獲取到的IPv4地址，其IPv4地址為172.23.10.177，PC的IPv4地址為172.23.10.134。圖7所示為在PC上利用ping命令測試的最終結(jié)果，可以看出數(shù)據(jù)包的往返時間較小，證明連通性較好。
4.2 數(shù)據(jù)通信測試
在確定了6LoWPAN邊界路由器和PC之間較好的連通性后，就可以測試6LoWPAN節(jié)點和PC之間的數(shù)據(jù)交換。測試過程中，利用sokit軟件，設(shè)定從PC上向6LoWPAN節(jié)點發(fā)送“Hello World?鄞”字符串?dāng)?shù)據(jù)，利用抓包軟件wireshark進行抓包，整個過程如圖8和圖9所示。
從圖中可以看出，在PC向6LoWPAN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程中，傳輸層的承載協(xié)議是UDP，成功抓取到了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程。也從側(cè)面說明6LoWPAN邊界路由器發(fā)揮了協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。
5 結(jié)束語
本文選取了CC2538 SoC作為6LoWPAN邊界路由器的硬件平臺的核心，在Contiki協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，完成了6LoWPAN邊界路由器的設(shè)計，測試結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。所設(shè)計的6LoWPAN邊界路由器可以應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的多種場合，下一步計劃是將所設(shè)計的6LoWPAN邊界路由器應(yīng)用到無線抄表上。
參考文獻
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