【好设计论文】基于Contiki的6LoWPAN边界路由器的设计
摘要：以TI公司的CC2538 SoC作为核心硬件平台，基于Contiki开源操作系统设计了一种6LoWPAN边界路由器，同时搭建了一个包含一台接入有线网络的PC、2个6LoWPAN节点以及一个6LoWPAN边界路由器的测试网络。测试结果表明，所设计的6LoWPAN边界路由器成功实现了6LoWPAN节点和PC之间数据的转发功能，可以应用于智能家居、环境监控等多种场合，具有一定的应用价值。
中文引用格式： 田广东，叶鑫. 基于Contiki的6LoWPAN边界路由器的设计[J].电子技术应用，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.
6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)是一种基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，旨在为嵌入式设备，如无线传感节点提供IPv6连接[1]。6LoWPAN的出现以全IP的方式真正解决了无线传感器网络与IPv6网络的互联互通。6LoWPAN已经得到了Google、Cisco、Honeywell等公司的高度重视，有望取代ZigBee标准，成为事实上的标准，当前已经有很多关于6LoWPAN的应用[2]。6LoWPAN网络底层使用IEEE 802.15.4标准,在MAC层和IPv6网络层之间引入适配层,主要提供包分片与重组、头部压缩和链路层转发等功能。
目前已经有多种开源或商业的6LoWPAN协议栈的实现[3]，其中基于Contiki的SICSlowpan以其开源、可移植性好、超轻量级、长期维护等优势得到了广泛关注。SICSlowpan符合RFC4944标准,实现了头部编码压缩、分片、地址分配等功能,具有较好的互操作性。
6LoWPAN边界路由器是连接6LoWPAN传感网和IP网络的桥梁，使两者的互操作成为可能。6LoWPAN边界路由器的基本功能有：完成IP协议栈和6LoWPAN协议栈之间的转换，使IP网络中的主机可以访问6LoWPAN传感网络中的节点。本文的目标就是在Contiki的基础下，设计一种实用的6LoWPAN边界路由器，为进一步研究6LoWPAN奠定基础。典型的基于Contiki实现的6LoWPAN协议栈如图1所示。
6LoWPAN边界路由器也可以看成是一种网关或服务器，可连接传统IP网络和6LoWPAN传感网络并自动完成网络协议的转换。为了验证6LoWPAN边界路由器在网络协议转换中的作用，本文设计了一个包含1个6LoWPAN边界路由器、2个6LoWPAN节点，1台PC的测试网络，整体测试网络的结构图如图2所示。
本文设计的6LoWPAN边界路由器在实现无缝连接IP网络和6LoWPAN传感网络的过程中具有下列特点：(1)遵循6LoWPAN标准协议，链路层基于ContikiMac，采用RDC机制，有效降低功耗，路由协议采用Router Over方式，基于ContikiRPL，支持RPL协议[4]；(2)兼容IPv4网络，即能实现IPv4客户端和6LoWPAN传感网之间的通信[5]；(3)无缝连接IPv6网络，支持6LoWPAN标准的邻居发现协议6LoWPAN ND[6]；(4)支持ping等简单的常用网络管理命令，方便网络的调试。
6LoWPAN边界路由器是6LoWPAN网络的核心，处理能力要求较高，但从性能和成本两方面考虑，边界路由器的主控并没有采用高性能ARM芯片，而是采用了TI公司的片上系统解决方案CC2538芯片，CC2538基于ARM Cortex-M3架构，内部资源丰富，性能强劲，能很好地支持最新的Contiki3.x版本，完全可以满足本文的设计要求。以太网模块采用ENC28J60芯片及HR911105A网络变压器。为了调试方便，本文设计了USB转串口模块，用于在PC上打印信息，其驱动芯片采用cp2102。边界路由器的整体硬件结构图如图3所示。
为了便于后续的功能扩展及满足各种需求，本6LoWPAN传感器节点的硬件结构设计基本与6LoWPAN边界路由器相同，不同之处在于去掉了以太网模块，其他部分设计与边界路由器相同。
6LoWPAN边界路由器的软件实现主要基于Contiki协议栈，Contiki以函数指针结构体的形式在每一层定义了很多钩子函数，或者称为服务接入点。每一层不同的实现可以很容易连接到这些钩子函数，紧接着就可以通过函数指针访问。具体来说，首先要深入分析Contiki内核的结构，然后根据本文需求对Contiki原有的协议栈进行相应的修改，增添所需的额外功能，本设计要求至少要兼容IPv4网络的通信。
由于6LoWPAN是为支持IPv6而设计的，但当前仍有大量的设备只能运行IPv4协议，因此，本文在应用层定义了一个IPv6/IPv4适配器，其作用就是兼容IPv4协议同时还能验证客户端输入指令的有效性。当边界路由器初始化完毕后，该应用层适配器会创建一个IPv4套接字接口用于监听IPv4连接。IPv4主机收到的命令会被适配器提取出来经分析并判定是否需要转发到6LoWPAN网络。如果命令无效或者目的节点失效，将会返回一个错误消息给IPv4主机。经过这一确认过程，包含该命令的IPv6数据包就被转发给相应的6LoWPAN节点。与此同时，适配器还会启动一个定时器，如果该命令的应答没有在规定的时间内返回，同样会返回一个错误信息给主机端；如果正常，适配器会收到6LoWPAN节点的数据，该数据会被提取出来，压缩在IPv4报文中并发送给IPv4主机端。
图4描述了报文经由边界路由器在IPv6客户端和6LoWPAN网络之间交换的通信过程。该通信过程分为两个阶段：IPv6客户端发送命令给6LoWPAN节点以及6LoWPAN节点返回应答。边界路由器主要完成压缩、解压缩、分片及重组等工作。
类似的，IPv4主机和6LoWPAN网络之间的消息流程可以从图5中看出。同样可将其看成两个阶段：IPv4主机发送命令给6LoWPAN节点以及6LoWPAN节点返回应答。这里边界路由器更像是一个服务器，等待IPv4来连接特定的端口，所有来自IPv4主机的命令都被转交给边界路由器而不是6LoWPAN节点。这些命令包含目的节点或节点ID号以及要执行的动作。它们被压缩在IPv4数据包中并被递交给IPv4/IPv6适配器，适配器会执行相应的动作。当发现命令是无效的，边界路由器会发送一个错误消息给IPv4主机，避免再同6LoWPAN节点通信这一多余过程。
为了验证6LoWPAN边界路由器确实发挥了应有的作用，让两个6LoWPAN节点和6LoWPAN边界路由器彼此相距10 m远，6LoWPAN边界路由器经以太网接口以有线方式接入Internet，6LoWPAN节点和6LoWPAN边界路由器之间则通过无线方式连接。设定让6LoWPAN节点以一定时间间隔循环向PC发送ASCII码字节数据流，为了便于观察效果，设定让串口打印出相关信息，利用串口助手可以很方便地看到相关的数据。
4.1 连通性测试
联通性测试主要利用ping命令来测试PC和6LoWPAN边界路由器的连通性。图6所示为6LoWPAN边界路由器启动时获取到的IPv4地址，其IPv4地址为172.23.10.177，PC的IPv4地址为172.23.10.134。图7所示为在PC上利用ping命令测试的最终结果，可以看出数据包的往返时间较小，证明连通性较好。
4.2 数据通信测试
在确定了6LoWPAN边界路由器和PC之间较好的连通性后，就可以测试6LoWPAN节点和PC之间的数据交换。测试过程中，利用sokit软件，设定从PC上向6LoWPAN节点发送“Hello World?鄞”字符串数据，利用抓包软件wireshark进行抓包，整个过程如图8和图9所示。
从图中可以看出，在PC向6LoWPAN节点发送数据包的过程中，传输层的承载协议是UDP，成功抓取到了数据包的转发过程。也从侧面说明6LoWPAN边界路由器发挥了协议转换的作用。
本文选取了CC2538 SoC作为6LoWPAN边界路由器的硬件平台的核心，在Contiki协议栈的基础上，完成了6LoWPAN边界路由器的设计，测试结果表明达到了预期的设计目标。所设计的6LoWPAN边界路由器可以应用于无线传感网络应用中的多种场合，下一步计划是将所设计的6LoWPAN边界路由器应用到无线抄表上。
参考文献
[1] Chen Yibo，Hou KunMean，Zhou Haiying，et al.6LoWPAN stacks：a survey[C].IEEE Conference Publications，2011.
[2] YoungKi Park，Ngoc-Thanh Dinh.A network monitoring system in 6LoWPAN networks[C].IEEE Conference Publications，2012.
[3] Dhananjay Singh，U.S.Tiwary.Global healthcare monitoring system using 6lowpan networks[C].IEEE Conference Publications，2009.
[4] Olfa Gaddour，Anis Koubaa.RPL in a nutshell：a survey[J].Computer Networks，2012，56(14).
[5] B.da Silva Campos，RODRIGUES J J，OLIVEIRA L M，et al.Design and construction of wireless sensor network gateway with IPv4/IPv6 support[C].2011 IEEE International Conference on Communications，Kyoto，Japan，2011.
[6] SHELBY Z，CHAKRABARTI S，NORDMARK E，et al.Neighbor discovery optimization for IPv6 over low-power wireless personal area networks(6LoWPANs)，RFC 6775，2012.
作者信息
田广东，叶 鑫
重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065