基于ARM920T和Linux的SOHO路由器設計

0 引言

隨著通信技術、網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，大量網(wǎng)絡設備接入網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量正以幾何級數(shù)增長。研究表明，IPv4 地址空間將在2011 年前耗盡，因此IPv4 地址資源非常緊缺。SOHO 路由器利用私有網(wǎng)絡IP 地址有效地緩解目前 IP 地址短缺的危機，為公司、家庭等小型局域網(wǎng)提供高效、廉價的共享上網(wǎng)方案。當前SOHO 路由器設計，采用

ARM7TDMI+μClinux 設計架構，ARM7 內核微處理器工作頻率為50M 左右，而以太網(wǎng)控制芯片工作頻率一般為100M，處理器速度難以滿足高速接入網(wǎng)用戶要求;μClinux 操作系統(tǒng)，不具有內存保護機制，任何程序都有可能導致內核崩潰，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。本文采用ARM920T 內核微處理器，工作頻率200M，足以滿足高速接入網(wǎng)用戶要求，它具有先進的MMU 體系結構，支持WinCE、EPOC32、Linux 操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)，具有內存保護機制和強大的網(wǎng)絡控制功能，能防止惡意程序對系統(tǒng)的破壞并實現(xiàn)*濾防火墻，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1 SOHO 路由器原理

路由器有位于網(wǎng)絡中心的核心路由器、連接企業(yè)級網(wǎng)絡的企業(yè)路由器以及把家庭或小單位用戶接入網(wǎng)絡的 SOHO 路由器。SOHO 路由器能夠實現(xiàn)自動配置和基本數(shù)據(jù)包路由、過濾功能。從嚴格意義上來講，SOHO 路由器并不能完全稱之為路由器，它只實現(xiàn)部分傳統(tǒng)路由器的功能。SOHO 路由器采用NAT(Network Address TranslaTIon)轉換技術，把局域網(wǎng)內部私用有IP 地址轉換成一個合法的公網(wǎng)IP 地址，使私有網(wǎng)絡中多臺主機共享一個合法的 IP 地址訪問因特網(wǎng)。

本文利用 Linux 內核支持IP Masquerade(IP 偽裝)技術實現(xiàn)NAT 轉換，實現(xiàn)多臺主機共享訪問因特網(wǎng)。IP Masquerade 工作原理：客戶機將實現(xiàn)IP Masquerade 的Linux 機器設置為缺省網(wǎng)關，當IP Masquerade 的Linux 機器收到客戶機的數(shù)據(jù)包時，對其進行改寫，將源地址替換為自己的IP 地址，將源端口號換成一個新的端口號，并且對該過程進行記錄;當接收到響應數(shù)據(jù)包時，如果其端口號正是先前所指定的端口號則再對該數(shù)據(jù)包進行改寫，將其目的IP 地址及目的端口號替換為原來記錄的客戶機IP 地址和端口號，然后再發(fā)送給客戶機。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)以 S3C2410X 微處理器為核心，外擴存儲器、以太網(wǎng)控制器、交換控制器、配以必要的調試接口、電源電路和時鐘發(fā)生電路構成，硬件結構框圖如圖1 所示。

(1) 微處理器與存儲系統(tǒng)

S3C2410X 是SAMSUNG 公司開發(fā)的一款低價、低功耗、高性能應用于PDA、Internet設備的微處理器，工作頻率200M，能滿足高速處理要求。系統(tǒng)擴展了1 片64MB NANDF1ash 芯片和2片SDRAM 芯片，NAND F1ash 芯片中存儲Bootloader 引導程序和Linux 內核，系統(tǒng)上電復位后從中執(zhí)行初始化代碼。

(2) 以太網(wǎng)控制芯片

DM9000 是一款高性價比以太網(wǎng)控制芯片，具有通用處理接口以太網(wǎng)MAC 控制器，能與10Base-T 的UTP3/4/5 和100Base-T 的UTP5 接口連接，滿足高速接入網(wǎng)要求，也支持通過MII 接口與其它MII 接口的收發(fā)器互聯(lián)。

(3) 交換控制芯片

RTL8305S 是臺灣瑞昱公司最新設計的5 端口10/100Mbps 高速以太網(wǎng)絡交換控制芯片，五個端口分成三個組(X 組，Y 組，第五端口)，可通過相關引腳靈活配置;集成了5個MAC(媒體存取控制器)、5 個實體層收發(fā)器、1M SRAM 和1K MAC 地址記憶區(qū)，有效地減少查表時間和轉儲時間，適用于高速局域網(wǎng)交換器;每一個端口均可支持100Mbps的100BASE-TX 高速以太網(wǎng)傳輸或10Mbps 的10BASE-T 的以太網(wǎng)傳輸。

(4) 系統(tǒng)實現(xiàn)

S3C2410X 微處理器通過系統(tǒng)總線連接FLASH和SDRAM構成存儲系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后，微處理器從FLASH 中讀取初始化程序，SDRAM 為程序運行和數(shù)據(jù)處理和轉發(fā)提供臨時存儲空間。以太網(wǎng)控制芯片DM9000，經(jīng)單端口隔離變壓器和RJ45 接口與互聯(lián)網(wǎng)相連。DM9000 通過MII(獨立媒體接口)與交換控制芯片RTL8305SC 的PORT4 口相連，RTL8305SC 經(jīng)過4 端口隔離變壓器和四個RJ-45 接口連接局域網(wǎng)集線器，交換機或電腦，進行數(shù)據(jù)交換或通過微處理器控制與廣域網(wǎng)連接。

DM9000 與S3C2410X、RJ45 接口電路如圖2 所示，DM9000E 芯片的引腳INT 與S3C2410X 芯片的外部中斷信號EINT14 相連，S3C2410X 片選信號nGCS4 和地址線MA2分別連接DM9000的AEN 引腳和CMD 引腳。SA6 到SA0 對應地址總線，而SA9 與SA8引腳設置為高電平，SA7 引腳設置為低電平，用來片選DM9000;3C2410X 的nOE 引腳連接DM9000 的讀引腳IOR#，nWE 引腳連接DM9000 的寫引腳IOW#，并將S3C2410X 數(shù)據(jù)線MD[0..15]與DM9000 的數(shù)據(jù)線SD[0..15]連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。將 RTL8305S 第5 端口設定為一個MII 接口與以太網(wǎng)控制芯片DM9000R MII接口相連，RTL8305S 與四端口隔離變壓器和RJ45 接口與圖2 類似。

3 系統(tǒng)軟件構建

軟件構建主要包括 Linux 操作系統(tǒng)移植和NAT 技術實現(xiàn)。

3.1 Linux 操作系統(tǒng)移植

(1) Bootloader 移植

Bootloader 是與系統(tǒng)硬件高度相關的初始化代碼，擔負著初始化硬件和引導操作系統(tǒng)的雙重責任。本文使用在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應用最廣的引導代碼U—BOOT。移植具體步驟：1 針對目標平臺對各配置文件做相應的修改。2 建立相應地配置文件。3 修改U—BOOT的makefile 文件，在其中加入對目標系統(tǒng)的編譯支持，并運行以下命令$make clean、$makesmdk2410-config、$make all 生成目標文件。最后通過JTAG 接口將u-boot.bin 文件燒寫到Flash 的零地址，復位后就可以引導系統(tǒng)。

(2) Linux 內核構建、移植與根文件系統(tǒng)實現(xiàn)

1 修改makefile 文件。2 使用make manuconfig 命令來配置內核。3 使用make dep、makezImage 命令對內核進行編譯，得到內核壓縮鏡像文件zImage 件。4 Bootloader 引導程序通過以太網(wǎng)接口把Linux 內核移到目標系統(tǒng)的Flash 上。5 構建根文件系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

3.2 Netfilter 框架分析與NAT 技術實現(xiàn)

Netfilter 是Linux2.4 內核實現(xiàn)數(shù)據(jù)*濾、數(shù)據(jù)包處理和NAT 功能的框架。它為每種網(wǎng)絡協(xié)議(IPv4， IPv6 等)定義一套鉤子函數(shù)(IPv4 有5 個鉤子函數(shù))，內核中任何模塊可以對協(xié)議中的鉤子函數(shù)進行注冊與掛接，這些鉤子函數(shù)在數(shù)據(jù)包流經(jīng)協(xié)議棧時被調用，注冊后的模塊可以檢查、修改、丟棄數(shù)據(jù)包及指示Netfilter 將數(shù)據(jù)包傳入用戶空間隊列，進行異步處理。一個數(shù)據(jù)包按圖3 所示的過程通過Netfilter 系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)包從左邊進入系統(tǒng)，進行IP 校驗后，數(shù)據(jù)包經(jīng)過第一個鉤子函數(shù)NF_IP_PRE_ROUTING[1]進行處理;然后就進入路由代碼，其決定該數(shù)據(jù)包是需要轉發(fā)還是發(fā)給本機的;若該數(shù)據(jù)包是發(fā)給本機的，則該數(shù)據(jù)經(jīng)過鉤子函數(shù)NF_IP_LOCAL_IN處理后傳遞給上層協(xié)議;若該數(shù)據(jù)包應該被轉發(fā)則它被NF_IP_FORWARD[3]處理;經(jīng)過發(fā)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過最后一個鉤子函數(shù)NF_IP_POST_ROUTING[4]處理后，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上。

本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過鉤子函數(shù)NF_IP_LOCAL_OUT[5]處理后，進行路由選擇處理，然后經(jīng)過NF_IP_POST_ROUTING[4] 處理以后發(fā)送到網(wǎng)絡上。Netfilter 框架支持多種NAT，NAT 一般可分為源NAT 與目的NAT。源NAT 在數(shù)據(jù)包經(jīng)過NF_IP_POST_ROUTING 時修改數(shù)據(jù)包的源地址，偽裝是一個特殊的SNAT，目的NAT在數(shù)據(jù)包經(jīng)過F_IP_LOCAL_OUT 或NF_IP_PRE—ROUTING 時修改數(shù)據(jù)包目的地址。

本文利用 IPtables 實現(xiàn)IP 偽裝、Port Forward 端口轉發(fā)、ALG。IPtables 是一個在Linux2.4內核中基于Netfilter 框架的數(shù)據(jù)包選擇系統(tǒng)。地址轉換會導致許多對NAT 敏感的應用協(xié)議無法正常工作，而地址轉換應用網(wǎng)關(NAT ALG， Application Level Gateway)，對載荷中的IP地址和端口號進行替換，從而實現(xiàn)對該協(xié)議的透明中繼。IPtables 要求數(shù)據(jù)包流經(jīng)指定的規(guī)則表，其中設定的規(guī)則用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)*濾，網(wǎng)絡地址轉換及數(shù)據(jù)包處理，從而實現(xiàn)多臺主機共享一個合法的IP 地址訪問因特網(wǎng)，并實現(xiàn)*濾防火墻。

4 結束語

本文作者創(chuàng)新點：提出了一種基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的SOHO 路由器設計方案。與現(xiàn)有設計方案相比，本文采用ATM9TDMI+Linux 構架設計SOHO 路由器，能滿足高速接入網(wǎng)用戶需求，具有更高地系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶安全性。