在OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的方法

羅思欣，周有平，肖 東（.惠州永弘昌科技有限公司，惠州 56006； . 佛山市微訊電子科技有限公司，佛山 58000；. 惠州學院，惠州 56007）

在OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的方法

羅思欣1，周有平2，肖 東3
（1.惠州永弘昌科技有限公司，惠州 516006； 2. 佛山市微訊電子科技有限公司，佛山 528000；3. 惠州學院，惠州 516007）

邊緣路由器是指將局域網匯接到廣域互聯網的一種路由設備。研究和實現的是將運行OpenWrt的路由器增加對6lowpan的支持，使其成為6lowpan網絡的邊緣路由器，并通過制作和構建的zigbee傳感器網絡節點上實現傳感器網絡節點能夠直接通過IPv6訪問到互聯網的方法。

6LoWPAN；傳感網絡；邊緣路由器

引言

OpenWrt是一個功能強大的開源路由器linux系統。用戶可以很方便地對其進行定制、優化，在國內外已經建立起了一個很活躍的生態圈[1，2]。國內市場火爆的極路由就是基于OpenWrt系統制作的。6lowpan是當前無線傳感器網絡研究的熱門領域，通過對IPv6數據包頭進行壓縮、解壓縮，以及在IP層從添加適用于無線自組網的路由協議RPL。實現了在無線傳感器網絡中也能直接使用IPv6協議。目前支持6lowpan協議比較好的開源系統有Contiki-os和Tinyos，本文采用Contki-os。 邊緣路由器又稱“接入路由器”，是位于網絡外圍（邊緣）的路由器。位于網絡中心的路由器叫核心路由器。邊緣路由器和核心路由器是相對概念，它們都屬于路由器，但是有不同的大小和容量，某一層的核心路由器是另一層的邊緣路由器。邊緣路由器的定位是將用戶由局域網匯接到廣域網，在局域網和廣域網技術尚有很大差異的今天，邊緣路由器肩負著多種重任，簡單地說就是要滿足用戶的多種業務需求，從簡單的聯網到復雜的多媒體業務和VPN業務等。這需要邊緣路由器在硬件和軟件上都要有過硬的實現能力。各設備提供商因此展開了激烈的競爭，派生出各種新鮮的技術手段[3]。因此，邊緣路由器是指將局域網匯接到廣域互聯網的一種路由設備。本文研究和實現的是將運行OpenWrt的路由器增加對6lowpan的支持，使其成為6lowpan網絡的邊緣路由器，并通過制作和構建的Zigbee傳感器網絡節點上實現傳感器網絡節點能夠直接通過IPv6訪問到互聯網的方法。

1 系統硬件配置

為了實現本文在OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的方法，選擇TP-link的路由器，型號為703N，硬件系統為8 M的FLASH和64 M的RAM。為了提升無線網絡的通信距離，在制作上特意增加外置天線。首先安裝（其實就是對現有的TP-link的路由器刷機）OpenWrt官方編譯的固件處下載[4]。由于需要安裝Python，系統的8 M FLASH不夠，因此通過USB hub連接了一個U盤，把需要安裝的軟件都裝在U盤上了。同時，為了后面實施在OpenWrt增加IPv6和6lowpan支持，系統硬件配置增加一個USB接口設計的Zigbee模塊根節點，如圖1所示，其中右邊的盒子為USB HUB。

USB接口設計的Zigbee模塊節點是為了實現本文在OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的方法而研究和制作的，是基于可運行contiki系統CC2530無線傳感器節點模塊[5]，并采用USB接口進行供電和通信，設計和制作的模塊如圖2所示。傳感器節點模塊上兩個芯片分別是CC2530和CP210x USB轉串口芯片，并預留了下載口，方便升級和調試程序。模塊上同時提供了一個復位按鍵和兩個用戶按鍵。另外為這個小板提供的抓包固件，可以用于捕獲分析802.15.4的空中數據包，便于對無線網絡的協議和數據進行分析。

2 OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的方法

2.1 制作無線傳感器網絡的根節點固件

Contiki支持多個CPU平臺，本文使用的CC2530平臺。首先在Contiki官方下載最新穩定版源碼，官方代碼是在Linux下開發編譯的，本文將其代碼移植到IAR for 8051編譯器下，移植到IAR可以直接仿真調試，移植完成后，為當前工程添加邊緣路由器功能支持需添加border-router.c 和 slip-bridge.c 文件，并將其中一個節點設置為6lowpan網絡中的根節點，接管其他所有無線傳感器網絡中向外部請求的IP數據包，通過串口方式傳遞給外部處理器（本文指的是OpenWrt系統）。不熟悉或者嫌移植麻煩的開發者，筆者建議下載Contiki官方提供好的虛擬機（ubuntu）鏡像，然后參考官方提供的編譯方法在Linux系統下編譯CC2530目標平臺的代碼，同樣可以生成相同功能的固件。在上述操作完成后將程序燒寫至USB接口zigbee模塊。此時將模塊連接至電腦USB口，并打開串口調試助手（57600 8n1），調試窗口對應的節點開始不停的打印 “?P” ，它是用來向上級CPU請求網絡地址的前綴信息。

圖1 OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的系統硬件實物圖

圖2 運行Contiki系統的CC2530無線傳感器節點模塊

2.2 OpenWrt增加IPv6和6lowpan支持

將路由器連接上網絡，同時將USB接口的無線Zigbee模塊連接到路由器上，如圖1實物圖所示。這樣可以通過ssh登錄到路由器，并安裝所需的軟件包：opkg update和opkkg install kmod-usb-serial-cp210x kmod-ipv6 kmod-tun tunslip6 。安裝完畢應該就能在/dev/ 目錄下看到ttyUSB0這個設備了，說明USB接口的Zigbee模塊已經成功被系統識別為串口了。通過安裝的 tunslip6 程序，建立了6lowpan無線Zigbee傳感器網絡與真實廣域網的橋梁。運行時，該程序創建一個虛擬網卡tun0，并打開串口利用Slip協議與Zigbee模塊通信。這樣tunslip6通過 tun0 ip packet<—>serial data packet實現了無線傳感器網絡Zigbee節點發過來的數據包進行解包，寫入到tun網卡；同時tun網卡接收到了廣域網的數據包，并將該數據包發送到串口上。

在shell上運行如下命令：tunslip6 aaaa:: 1/64 - s /dev/ ttyUSB0 -B 57600，指定網絡前綴及串口、波特率。成功運行后，Zigbee模塊會自動被分配到aaaa::/64的網絡地址前綴。結合模塊的64位mac地址形成小板的全球唯一128位IPv6地址。此時shell被tunslip6占用了，不能繼續輸入。打開另一個終端，輸入ifconfig，可查看tun網卡是否成功生成：

由 于Zigbee模 塊 的MAC地 址 固 化 成0× 0000000000000001，結合剛才已經設置的aaaa::/64前綴，則小板的IPv6地址應該是 aaaa::200:0:0:1 這里多的一個2 是IPv6協議規定的，因此，上述操作已經成功，可通過ping進行查看，也是該Zigbee節點能夠在OpenWrt上直接ping通的，其它功能的Zigbee節點亦可以通過相同方法連接。

2.3 系統穩定性改進

以上的tunslip6程序運行中遇到錯誤會立即退出，改進的實現是其做成daemon形式在后臺運行，遇到錯誤自動繼續嘗試重啟服務，盡最大可能保證系統的穩定。本文通過設計Python腳本對tunslip6進行處理，規避了遇到錯誤立即退出的缺陷。該腳本是把自身變成系統的daemon進程，并調用tunslip6這個應用，監測其是否因為錯誤退出，若退出則繼續調用，直到成功，腳本如下：

執行命令行，并等待tunslip6退出。實際上tunslip6沒有遇到錯誤之前是不會退出的。

如果退出，則繼續執行命令直到不再退出。

將以上腳本設置為開機啟動，那么邊緣路由器的功能就能系統啟動而驅動了。通過上述方法在OpenWrt上實現6lowpan邊緣路由器的基本方法，但無線傳感器網絡的節點（設備）要實現訪問外部的IPv6網絡，即實現無線節點也能直接訪問互聯網，其實僅僅按照本文上述的方法搭建起邊緣路由器是不夠的。上述設置tunslip6時用的前綴aaaa::是作者在實施環境下任意填的，因為作者網絡沒有IPv6環境，無法在路由上獲得IPv6地址。因此上面系統中的路由沒有訪問IPv6網絡的能力，6lowpan網絡也就更不可能訪問到了。如果有IPv6網絡支持，并且通過網絡管理員獲得了一個全球唯一可識別的地址前綴，那么把這個前綴設置給tunslip6應該就可以使無線傳感網的節點獲得訪問互聯網的能力了。

3 結論

IPv6是最佳的物聯網尋址技術，邊緣路由器是指將局域網匯接到廣域互聯網的一種路由設備，是物聯網與互聯網連接的重要技術。本文通過研究和設計的USB接口無線zigbee模塊，借助通用的TPLINK路由器，通過設計軟件在運行OpenWrt的路由器上增加對6lowpan的支持，使其成為6lowpan網絡的邊緣路由器。通過構建Zigbee傳感器網絡環境，驗證和實現了無線傳感器網絡節點直接通過IPv6接入互聯網的方法。

[1] Binti Ismail N H A, Hassan R, Othman N E. LABC:Local Route Repai using Aritficial Bee Colony algorithm in 7LoWPAN network: Computational Science and Technology (ICCST), 2014 International Conference on, 2014[C]. 2014, 27-28 Aug. 2014.

[2] Luigi Atzori,Antonio Iera, Giacomo Morabito. The Internet of Things: A survey[J]. Computer Networks . 2010 (15).

[3] 錢志鴻,王義君. 面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報, 2013, 01: 215-227.

[4] 劉裕舸. 基于 Zigbee 無線傳感器網絡設計與實現[J]. 數字技術與應用, 2014, 12:47-49.

[5] 張琛,粟欣,王文清,等. 異構網絡跨層協作傳輸技術研究[J]．通信學報, 2014, 35(8):198-205.

羅思欣（1988.10-），女，大學，主要從事電子信息、物聯網技術研究。

Method for Realizing 6LoWPAN Edge Router on OpenWrt

LUO Si-xin1, ZHOU You-ping2, XIAO Dong3
(1. Huizhou Yonghongchang Technology Co., Ltd., Huizhou 516006; 2. Foshan Weixun Electron Technology Co., Ltd., Foshan 528000; 3. Huizhou University, Huizhou 516007)

Edge router is a kind of routing equipment that transfers LAN to wide area Internet. The research and realization of the router’s increasing the support for 6lowpan by the running router for OpenWrt, which make it the edge router for 6LoWPAN network. In addition, the realization of sensor network node through the production and construction of ZigBee sensor network nodes can directly access to the Internet through IPv6 method.

6LoWPAN; sensor network; edge router

TP393

：A

1004-7204（2017）01-0036-04

本文得到佛山市產學研專項資金科項目（2012HC100031）、惠州市科技計劃項目（2014B020004020）、廣東省高等學校教學質量與改革工程本科類資助項目(粵高教函【2013】113號-113)等資助。