基于6LoWPAN的智能家居网关设计

基于6LoWPAN的智能家居网络互联网接入应用研究

1. 6LoWPAN和过渡技术在智能家居网络中的应用

智能家居设备通过连接人们日常生活中使用的家庭设备，通过互联网技术，将智能家居设备通过设备间的信息交换连接到家庭网络中，从而在家庭生活中形成一个智能网络。6LoWPAN技术不仅具有IPv6的广阔地址空间，还实现了在网络层与互联网的统一，在智能家居网络的发展中具有良好的发展前景。基于6LoWPAN的智能家居网络通过6LoWPAN技术连接家庭网络中的各种传感器节点，但从市场需求和发展方向来看，智能家居设备接入互联网更具实际意义[1]。若要实现智能家居网络中传感器节点的控制功能，与外部互联网互联互通并实现信息交互，则需在智能家居传感器网络与外部互联网之间建立通信桥梁[2]。

2. 系统网关总体设计

作为家庭网络系统的一部分，其中，传感器设备连接到客户端，系统网关在智能家居网络系统中起着关键作用[3]。家用设备采集的环境信息通过6LoWPAN网络提交至网关服务器，服务器存储该信息并接入互联网，为用户提供数据接口，用户可通过软件平台实时查看和控制家庭环境信息[4]。基于6LoWPAN的智能家居网络通过网关连接到互联网，并通过转换模块实现两个异构网络的IP层统一。

当家庭设备产生即时信息并通过系统网关转发给用户控制终端时，设备通过基于IEEE802.15.4的无线链路将数据信息传输至系统网关，而网关集成了6LoWPAN协议栈，可实现支持6LoWPAN的硬件通信[5]。网关接收到数据后，通过协议转换功能对数据进行重新封装，并转发至互联网，最终由用户客户端接收。反之，当用户终端首先发出控制信息时，系统网关先进行协议转换，然后通过系统网关集成的射频通信模块将信息发送至家庭设备。

当网关接收到6LoWPAN节点传输的感知消息时，首先由网关中集成的6LoWPAN协议栈提交至网络层[6]，然后通过协议转换机制进行网络协议和地址的转换，再由网关中集成的TCP/IP协议栈对转换后的数据包进行封装，实现两个异构网络间的数据包转换，最后由系统网关进行转发。由于用户客户端可能位于不同的IPv4网络中，6LoWPAN数据包在经过系统网关的协议转换后，由TCP/IP协议栈的链路层协议进行封装，从而实现系统网关通过不同IPv4网络接入互联网。

系统网关需要在Linux系统下完成射频驱动接口的设计以及6LoWPAN协议栈的移植，以接收来自家庭设备的数据，并将来自IPv4网络的控制消息转发给家庭设备。其次，系统网关还需要完成网卡驱动接口、WiFi驱动接口和4G通信模块的设计，以实现IPv4数据的接收与转发，从而实现智能家居设备与用户客户端之间的端到端通信。

3. 数据转换设计

在网关服务器中，一个数据需要一种转换机制来对来自6LoWPAN子网和互联网的数据包进行协议和地址转换。地址转换用于实现6LoWPAN节点地址与IPv4网络地址之间的转换。协议转换用于实现异构网络数据包的相互转换。作为系统网关的核心部分，地址协议转换模块是连接智能家居无线传感器网络系统中互联网（IPv4）的桥梁。

在地址转换子模块中，通过部分公网IPv4地址形成地址池，与6LoWPAN网络中的节点建立映射关系，从而实现地址转换。在数据通信过程中，系统网关使用2位状态标识符识别地址池中IPv4地址的使用状态，以实现IPv4地址的循环使用。

地址转换机制采用端口编号映射机制，该机制通过应用端口号与IPv4公网地址组合形成唯一标识，并与6LoWPAN网络中的IPv6地址建立映射关系，以满足智能家居网络环境中IPv6地址数量的需求。如有需要，将生存时间添加到地址信息数据库中。系统网关每次查询该信息时执行生存时间操作，当生命周期为零时，自动解除地址映射。在ICMP包转换过程中，唯一标识由IPv4地址和ID编号[7]组成。

地址映射表的数据结构也通过链表实现。

当6LoWPAN节点首次进入网关时，地址转换单元从地址池中获取一个空闲的IPv4地址。此时，该IPv4地址由空闲状态变为占用状态，地址转换单元建立用于地址转换的映射关系。地址信息转换完成后，网关转发数据包。如果转发失败，IPv4地址状态由占用状态变为空闲状态；如果转发成功，则由占用状态变为边界状态，并将映射关系记录保存至地址信息数据库。直到生存时间为0，该地址返回空闲状态，可由地址管理模块重新分配。

地址转换完成后，从6LoWPAN网络进入系统网关的IP数据包仍无法在IPv4网络中传输，因此协议转换子模块仍需对数据包进行协议转换。当IPv4用户控制终端与家庭网络节点通信时，系统网关首先将请求转换为传感器节点查询，然后通过网络协议转换修改IP包头，使数据包能够在异构网络中进行路由转发，该过程由SIIT算法[8]实现。

4. 数据流控制机制设计

智能家居网络具有复杂的工作环境，且智能家居设备种类多样，会随着生活环境的变化而大量增加。当多条数据流同时进入网关时，必然会导致系统网关中的数据流拥塞和碰撞，甚至造成网关系统崩溃。因此，本文基于Linux系统下的Netfilter防火墙设计系统数据流控制机制[9]，在内核中注册模块，并通过NF_HOOK()将钩子函数挂载到挂载点以过滤数据包。当来自互联网中IPv4节点的数据包进入系统网关后，该数据包将在网络层进入Netfilter框架。

在系统中网关处，Netfilter框架应用Nf_conntrack模块，在钩子点挂载相应的函数，首先在函数中定义连接的过滤规则，并跟踪和记录通过的数据包的连接信息。

在Netfilter对进入系统网关的数据包进行标记后，可通过Linux内核中的服务控制机制设置流量优先级并限制带宽[10]，从而便于多路数据流进入系统网关的路径规划与卸载。通过设定不同数据包进入系统网关所占用的最大带宽限制，实现对多条数据流的合理控制，并通过优先级设置实现空闲带宽借用。

通过本节数据流控制机制的设计与实现，可识别智能家居网络系统中不同服务类型的设备和客户端的系统带宽与服务流量，并利用无服务连接合理区分标签值。流量控制机制为数据服务分配带宽，以限制系统网络中不同节点的系统带宽，避免同一节点和同一服务在系统中持续占用带宽[11]。

5. 测试分析

为了确保系统网关功能的实现，实现智能家居网络接入互联网（IPv4）并进行端到端信息交互，需要进行6LoWPAN网络与互联网（IPv4）之间的连通性测试。

系统网关	连接智能家居网络与互联网
6LoWPAN节点	连通性性能测试
PC	数据测试与分析
Ubuntu Linux操作系统	-
Wireshark	捕获消息

在6LoWPAN节点上，使用ping命令验证6LoWPAN节点和IPv4节点的数据转发过程和连通性。同时，使用Wireshark软件在个人计算机上捕获ping命令。

消息类型	源地址和UDP端口 (IPv6)	源地址和UDP端口 (IPv4)	IPv4状态	目的地址和UDP端口 (IPv6)	目的地址和UDP端口 (IPv4)	协议类型
回显 (ping) 请求	2409:8914:3ef5:aa47:1017:1df1:2e7f:a952,0xf0b3	132.17.23.102:1030	空闲 → 已占用 → 绑定	fe80::17ba:dbfc:9bba:b705,0xf0b2	202.118.125.59:61618	ICMP
回显 (ping) 回复	fe80::17ba:dbfc:9bba:b705,0xf0b2	202.118.125.59:61618	bound	2409:8914:3ef5:aa47:1017:1df1:2e7f:a952,0xf0b3	132.17.23.102:1030	ICMP

通过系统转换数据转换模块，可以实现6LoWPAN数据包与IPv4数据包之间的地址转换和协议转换功能。

本文还测试了系统网关中实现的流量测试机制，并同时将多个IPv4节点接入网关。与此同时，接入多个智能家居网络中的6LoWPAN节点，测试结果表明，当智能家居网络中的多个设备同时与IPv4节点通信时，系统网关能够对通过的数据包实施合理的路径规划和流量控制，以确保智能家居系统的正常运行。

6. 结论

针对开发的结合当前智能家居网络的发展背景和趋势，本文设计了一种基于6LoWPAN的智能家居网络接入互联网（IPv4）过渡方案，介绍了网关软件设计与实现环境，并阐述了6LoWPAN技术及协议转换技术。该方案应用于智能家居网络环境中，实现了家庭网络系统与互联网的端到端连接。基于Netfilter框架，设计了面向智能家居网络系统的数据流控制机制，确保系统网关在多个接入点接入时仍能正常运行。相比传统智能家居网络产品，具有更广阔的发展空间，在未来智能家居发展中具备良好的应用价值。