Part 01

6LoWPAN是什么 

為了使低速無線設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)， 通常需要增加一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)通過應(yīng)用層程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)翻譯和轉(zhuǎn)發(fā)。隨著萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，家庭智能硬件越來越多，通過這種方式，數(shù)據(jù)需要層層拆封，翻譯，組裝，轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致中間節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過高，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率很低，且在不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間（比如Wi-Fi、ZigBee、BLE）通信時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)需要支持多種協(xié)議，開發(fā)難度較大。隨著IPv6的普及，基于低速無線局域網(wǎng)構(gòu)建IPv6協(xié)議棧的6LoWPAN技術(shù)應(yīng)用成為一種趨勢，此方案中，每一個(gè)低速設(shè)備分配一個(gè)唯一的IP地址，在數(shù)據(jù)傳輸階段，中間節(jié)點(diǎn)僅變成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道，不再依賴應(yīng)用層程序，不再需要關(guān)心應(yīng)用層數(shù)據(jù)，只需要在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行報(bào)文的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，從而使得家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的鏈路層之上完全統(tǒng)一起來。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D之間加入中間節(jié)點(diǎn)

6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network)， 是一種基于IPv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6 over IEEE 802.15.4。它是IETF互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)工作組的名稱。6LoWPAN是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，定義了封裝和報(bào)頭壓縮機(jī)制，允許通過IEEE 802.15.4的低速網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收較大IPv6數(shù)據(jù)報(bào)文。

Part 02

6LoWPAN方案有哪些優(yōu)勢 

? 數(shù)據(jù)可達(dá)性及傳輸效率高：每一個(gè)BLE設(shè)備都有一個(gè)唯一的IP，支持端到端IP尋址，只需要一個(gè)路由器即可將數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點(diǎn)多跳轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；并且不是每一幀數(shù)據(jù)都到應(yīng)用層，轉(zhuǎn)發(fā)效率更高。

? 支持跨域互訪、更多的地址空間和無狀態(tài)自動(dòng)地址配置：因?yàn)镮Pv6的應(yīng)用，可在全網(wǎng)直接定位，無需NAT轉(zhuǎn)換，不同網(wǎng)段間通信可直接互訪；并且有了海量的地址空間，滿足了部署大規(guī)模、高密度低速個(gè)域網(wǎng)設(shè)備的條件；另外無需路由分配，即可無狀態(tài)的自動(dòng)分配地址。

? 普及性、適用性：IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛且IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)受到廣泛的認(rèn)可，對于網(wǎng)絡(luò)層及以上的開發(fā)者，不再需要關(guān)心具體鏈路層的協(xié)議，而單純當(dāng)做一個(gè)IP設(shè)備來進(jìn)行管理，開發(fā)簡單且開發(fā)效率更高。

? 支持低功耗：在6LowPAN網(wǎng)絡(luò)中，葉子節(jié)點(diǎn)可以睡眠進(jìn)入低功耗。

? 靈活度大：其為物理層提供了全面的支持，在不同頻帶和物理媒介上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)提供足夠的自由度。

Part 03

基于BLE之上的構(gòu)建6LoWPAN的原理 

BLE網(wǎng)絡(luò)作為一種低速無線個(gè)域網(wǎng)，BLE設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)以及BLE網(wǎng)絡(luò)與其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信，一直是業(yè)界廣泛關(guān)注的問題。下面，小編就以6LowPAN技術(shù)在BLE網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為例，來說明6LowPAN的原理。

圖2 基于BLE的6LoWPAN端到端數(shù)據(jù)通信協(xié)議模型

如圖2，BLE設(shè)備與網(wǎng)關(guān)建立鏈路層及L2CAP連接之后的端到端數(shù)據(jù)通信協(xié)議模型，對于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與網(wǎng)關(guān)建立連接之后，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)用層將構(gòu)建一個(gè)普通的IP數(shù)據(jù)包，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層收到數(shù)據(jù)后，將其路由到一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（B）進(jìn)行6LoWPAN分片、封裝，然后一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)到藍(lán)牙協(xié)議棧，進(jìn)行L2CAP封裝，最后通過BLE鏈路層發(fā)送出去。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，BLE鏈路收到數(shù)據(jù)，移除L2TP頭，然后路由到虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（B）進(jìn)行6LoWPAN解封、組裝，恢復(fù)出IPv6原始報(bào)文，然后轉(zhuǎn)發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層。

Part 04

●  Linux系統(tǒng)上如何基于BLE構(gòu)建6LoWPAN ● 

由于Linux 內(nèi)核早期就已經(jīng)支持藍(lán)牙協(xié)議棧，3.2內(nèi)核主線版本加入了對6LowPAN的支持，然后隨著藍(lán)牙4.0發(fā)布之后，低功耗藍(lán)牙BLE的誕生，藍(lán)牙4.2發(fā)布，BLE開始支持6LoWPAN，所以在linux系統(tǒng)上，基于BLE構(gòu)建6LoWPAN變得十分容易。

本節(jié)，作者將使用兩臺ubuntu PC+兩個(gè)BLE藍(lán)牙dongle，手把手帶大家學(xué)習(xí)如何在linux系統(tǒng)上，基于BLE構(gòu)建6LoWPAN，最后通過BLE鏈路，完成兩個(gè)BLE設(shè)備之間的IP報(bào)文的交換，以此驗(yàn)證6LoWPAN是否成功構(gòu)建。

注意：本實(shí)驗(yàn)中，Ubuntu版本使用14.04，其中內(nèi)核版本使用3.8.4；BLE藍(lán)牙dongle使用CSR8510 BT5.0版本。

4.1 BLE從機(jī)配置

1）、確認(rèn)系統(tǒng)上藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)安裝成功

圖3 從機(jī)上藍(lán)牙設(shè)備詳細(xì)信息

2）、加載支持BLE的6lowpan內(nèi)核模塊

modprobe

注：若系統(tǒng)中不存在此內(nèi)核模塊，請重新配置并編譯內(nèi)核。

3）、開啟6lowpan功能，并讓藍(lán)牙設(shè)備多路復(fù)用支持此新協(xié)議

echo 62 > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_psm

4）、作為從機(jī)，開啟廣播通告，周期的向周圍廣告廣播數(shù)據(jù)

hciconfig hci0 leadv 0

4.2 BLE主機(jī)配置

1）、確認(rèn)系統(tǒng)上藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)安裝成功

圖4 主機(jī)上藍(lán)牙設(shè)備詳細(xì)信息

2）、加載支持BLE的6lowpan內(nèi)核

modprobe

3）、開啟6lowpan功能，并讓藍(lán)牙設(shè)備多路復(fù)用支持此新協(xié)議

echo 62 > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_psm

4.3 BLE主機(jī)掃描并連接從設(shè)備

1）、掃描設(shè)備，獲取從設(shè)備的mac地址

hcitool

2）、連接從設(shè)備

echo "connect 8C:88:2B:42:3F:17 1" >/sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_control

其中1，是藍(lán)牙地址類型，1表示公共地址；2表示隨機(jī)地址。

8C:88:2B:42:3F:17是第一步中獲取的從設(shè)備MAC地址。

3）、如何判斷設(shè)備連接成功

一旦6lowpan建立成功，則在主從機(jī)上敲ifconfig命令，將會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)多出一個(gè)名為bt0的虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

如下所示：

從機(jī)網(wǎng)口

圖5 從機(jī)上bt0虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息

主機(jī)網(wǎng)口

圖6 主機(jī)上bt0虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息

4.4 從機(jī)使用ping命令，驗(yàn)證兩個(gè)BLE之間的IPv6連通性

ping6 -I bt0 fe80::8e88:2bff:fe21:b552

圖7 主從機(jī)之間ping6通信

可見，主從機(jī)之間已經(jīng)可以通過BLE鏈路交換IPv6的報(bào)文；由此可知，在linux系統(tǒng)上，基于BLE構(gòu)建6LoWPAN是成功的。

4.5 連接成功/失敗的內(nèi)核日志

在執(zhí)行連接操作時(shí)候，通過tail -f  /var/log/syslog 進(jìn)行內(nèi)核日志查看。

4.6 BLE主機(jī)主動(dòng)斷開連接

echo "disconnect 8C:88:2B:42:3F:17" > /sys/kernel/debug/bluetooth/6lowpan_control

Part 05

總結(jié) 

綜上，在linux系統(tǒng)上，基于BLE構(gòu)建6LoWPAN十分容易，基于其他低速無線局域網(wǎng)構(gòu)建6LoWPAN原理相同。所以在多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間，通過構(gòu)建6LoWPAN，讓家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路層之上完全統(tǒng)一起來，具有很強(qiáng)的可操作性。相信隨著萬物互聯(lián)的到來，隨著IPv6的普及，6LoWPAN在家庭網(wǎng)絡(luò)中的重要性將會更加顯現(xiàn)，應(yīng)用性會更加廣泛。