基于LwIP的嵌入式IPv6网关的研究与设计

摘要

随着物联网技术的快速发展，越来越多的传统工业设备有了接入网络的需求。大多数传统工业设备最常用的通信接口是串口，不具备网络接口，不能直接接入网络；一些有入网能力的工业设备，很多也只支持 IPv4相关协议。地址池已然枯竭的IPv4在面对有着海量地址需求的工业设备时显得十分无力。
　　为了解决上述问题，本文在深入研究LwIP协议栈IPv6内核的基础上设计了一款轻量级的嵌入式网关，网关可以实现串口设备与TCP/IPv6设备间的应用报文交换。研究的重点是 IPv6相关协议的轻量级实现及应用，包括协议实现过程中涉及到的数据结构、算法、接口等，而非IPv6本身。
　　本文首先介绍了与IPv6有关的协议，重点描述了IPv6的编址体系、IPv6分组格式、ICMPv6的报文类型和报文格式、邻居发现协议等内容。接着深度剖析了Git中添加了IPv6支持的LwIP协议栈，主要从LwIP架构和进程模型、动态内存管理机制、网络接口管理机制、IPv6核心协议组件、ICMPv6核心协议组件等方面对协议栈进行了较为透彻地分析，同时针对LwIP不能对带有扩展首部的IPv6分组进行分片的问题提出了一种改进方法。
　　设计了网关系统的硬件平台并给出了移植支持IPv6的LwIP协议栈的详细方法。网关选用STM32F103ZET6作为主控制芯片，ENC28J60为网卡芯片，结合Keil集成开发环境完成了LwIP的移植工作。Ping测试结果表明协议栈的移植是成功的。网关的整体软件架构没有使用操作系统，而是采用无限循环结合中断的方式设计，这主要是出于数据转发实时性方面的考量。对于网关的应用层协议，从语法、语义和时序三个方面进行了设计，给出了具体的报文转发规则。最后的测试结果表明，网关能够实现基本的数据转发，也能够承受200字节每包、10包每秒的压力通信。
　　该论文有图51幅，表6个，参考文献83篇。

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1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要工作

1.4 本文的组织结构

2 IPv6原理分析

2.1 IPv6的由来

2.2 IPv6编址体系

2.3 IPv6分组格式

2.4 ICMPv6原理

2.5 邻居发现协议

2.6 本章小结

3 LwIP协议栈的分析与改进

3.1 LwIP简介

3.2 协议栈架构分析

3.3 动态内存管理机制分析

3.4 数据包管理结构pbuf分析

3.5 增加IPv6的网络接口分析

3.6 IPv6核心函数的分析与改进

3.7 ICMPv6核心函数分析

3.8 本章小结

4 网关硬件设计与LwIP协议栈的移植

4.1 网关硬件平台设计

4.2 LwIP协议栈内核的移植

4.3 移植结果测试及分析

4.4 本章小结

5网关软件设计与测试

5.1 网关模型及架构

5.2 网关应用层协议设计

5.3 网关任务结构设计

5.4 网关串口模块设计

5.5 网关服务器模块设计

5.6 网关系统测试

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

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