基于ARM920T+Linux架構(gòu)的SOHO路由器設(shè)計(jì)

0 引言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量正以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。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(luò)IP 地址有效地緩解目前 IP 地址短缺的危機(jī)，為公司、家庭等小型局域網(wǎng)提供高效、廉價(jià)的共享上網(wǎng)方案。當(dāng)前SOHO 路由器設(shè)計(jì)，采用

ARM7TDMI+μClinux 設(shè)計(jì)架構(gòu)，ARM7 內(nèi)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(nèi)存保護(hù)機(jī)制，任何程序都有可能導(dǎo)致內(nèi)核崩潰，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。本文采用ARM920T 內(nèi)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(jìn)的MMU 體系結(jié)構(gòu)，支持WinCE、EPOC32、Linux 操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)，具有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)控制功能，能防止惡意程序?qū)ο到y(tǒng)的破壞并實(shí)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(luò)中心的核心路由器、連接企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)路由器以及把家庭或小單位用戶接入網(wǎng)絡(luò)的 SOHO 路由器。SOHO 路由器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)配置和基本數(shù)據(jù)包路由、過濾功能。從嚴(yán)格意義上來講，SOHO 路由器并不能完全稱之為路由器，它只實(shí)現(xiàn)部分傳統(tǒng)路由器的功能。SOHO 路由器采用NAT（Network Address TranslaTIon）轉(zhuǎn)換技術(shù)，把局域網(wǎng)內(nèi)部私用有IP 地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)合法的公網(wǎng)IP 地址，使私有網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)主機(jī)共享一個(gè)合法的 IP 地址訪問因特網(wǎng)。

本文利用 Linux 內(nèi)核支持IP Masquerade（IP 偽裝）技術(shù)實(shí)現(xiàn)NAT 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)主機(jī)共享訪問因特網(wǎng)。IP Masquerade 工作原理：客戶機(jī)將實(shí)現(xiàn)IP Masquerade 的Linux 機(jī)器設(shè)置為缺省網(wǎng)關(guān)，當(dāng)IP Masquerade 的Linux 機(jī)器收到客戶機(jī)的數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)其進(jìn)行改寫，將源地址替換為自己的IP 地址，將源端口號(hào)換成一個(gè)新的端口號(hào)，并且對(duì)該過程進(jìn)行記錄;當(dāng)接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包時(shí)，如果其端口號(hào)正是先前所指定的端口號(hào)則再對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行改寫，將其目的IP 地址及目的端口號(hào)替換為原來記錄的客戶機(jī)IP 地址和端口號(hào)，然后再發(fā)送給客戶機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以 S3C2410X 微處理器為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)控制器、交換控制器、配以必要的調(diào)試接口、電源電路和時(shí)鐘發(fā)生電路構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

（1） 微處理器與存儲(chǔ)系統(tǒng)

S3C2410X 是SAMSUNG 公司開發(fā)的一款低價(jià)、低功耗、高性能應(yīng)用于PDA、Internet設(shè)備的微處理器，工作頻率200M，能滿足高速處理要求。系統(tǒng)擴(kuò)展了1 片64MB NANDF1ash 芯片和2片SDRAM 芯片，NAND F1ash 芯片中存儲(chǔ)Bootloader 引導(dǎo)程序和Linux 內(nèi)核，系統(tǒng)上電復(fù)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(jià)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(tái)灣瑞昱公司最新設(shè)計(jì)的5 端口10/100Mbps 高速以太網(wǎng)絡(luò)交換控制芯片，五個(gè)端口分成三個(gè)組（X 組，Y 組，第五端口），可通過相關(guān)引腳靈活配置;集成了5個(gè)MAC（媒體存取控制器）、5 個(gè)實(shí)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(shí)間和轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間，適用于高速局域網(wǎng)交換器;每一個(gè)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(shí)現(xiàn)

S3C2410X 微處理器通過系統(tǒng)總線連接FLASH和SDRAM構(gòu)成存儲(chǔ)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(yùn)行和數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)提供臨時(shí)存儲(chǔ)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(dú)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(gè)RJ-45 接口連接局域網(wǎng)集線器，交換機(jī)或電腦，進(jìn)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(hào)EINT14 相連，S3C2410X 片選信號(hào)nGCS4 和地址線MA2分別連接DM9000的AEN 引腳和CMD 引腳。SA6 到SA0 對(duì)應(yīng)地址總線，而SA9 與SA8引腳設(shè)置為高電平，SA7 引腳設(shè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。將 RTL8305S 第5 端口設(shè)定為一個(gè)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(gòu)建

軟件構(gòu)建主要包括 Linux 操作系統(tǒng)移植和NAT 技術(shù)實(shí)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(guān)的初始化代碼，擔(dān)負(fù)著初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)的雙重責(zé)任。本文使用在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用最廣的引導(dǎo)代碼U—BOOT。移植具體步驟：1 針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)對(duì)各配置文件做相應(yīng)的修改。2 建立相應(yīng)地配置文件。3 修改U—BOOT的makefile 文件，在其中加入對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的編譯支持，并運(yùn)行以下命令$make clean、$makesmdk2410-config、$make all 生成目標(biāo)文件。最后通過JTAG 接口將u-boot.bin 文件燒寫到Flash 的零地址，復(fù)位后就可以引導(dǎo)系統(tǒng)。

（2） Linux 內(nèi)核構(gòu)建、移植與根文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1 修改makefile 文件。2 使用make manuconfig 命令來配置內(nèi)核。3 使用make dep、makezImage 命令對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯，得到內(nèi)核壓縮鏡像文件zImage 件。4 Bootloader 引導(dǎo)程序通過以太網(wǎng)接口把Linux 內(nèi)核移到目標(biāo)系統(tǒng)的Flash 上。5 構(gòu)建根文件系統(tǒng)。

3.2 Netfilter 框架分析與NAT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Netfilter 是Linux2.4 內(nèi)核實(shí)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(luò)協(xié)議（IPv4， IPv6 等）定義一套鉤子函數(shù)（IPv4 有5 個(gè)鉤子函數(shù)），內(nèi)核中任何模塊可以對(duì)協(xié)議中的鉤子函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)與掛接，這些鉤子函數(shù)在數(shù)據(jù)包流經(jīng)協(xié)議棧時(shí)被調(diào)用，注冊(cè)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(duì)列，進(jìn)行異步處理。一個(gè)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(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行IP 校驗(yàn)后，數(shù)據(jù)包經(jīng)過第一個(gè)鉤子函數(shù)NF_IP_PRE_ROUTING［1］進(jìn)行處理;然后就進(jìn)入路由代碼，其決定該數(shù)據(jù)包是需要轉(zhuǎn)發(fā)還是發(fā)給本機(jī)的;若該數(shù)據(jù)包是發(fā)給本機(jī)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(yīng)該被轉(zhuǎn)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(gè)鉤子函數(shù)NF_IP_POST_ROUTING［4］處理后，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(luò)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(shí)修改數(shù)據(jù)包的源地址，偽裝是一個(gè)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(shí)修改數(shù)據(jù)包目的地址。

本文利用 IPtables 實(shí)現(xiàn)IP 偽裝、Port Forward 端口轉(zhuǎn)發(fā)、ALG。IPtables 是一個(gè)在Linux2.4內(nèi)核中基于Netfilter 框架的數(shù)據(jù)包選擇系統(tǒng)。地址轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致許多對(duì)NAT 敏感的應(yīng)用協(xié)議無法正常工作，而地址轉(zhuǎn)換應(yīng)用網(wǎng)關(guān)（NAT ALG， Application Level Gateway），對(duì)載荷中的IP地址和端口號(hào)進(jìn)行替換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)定的規(guī)則用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)*濾，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)包處理，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)主機(jī)共享一個(gè)合法的IP 地址訪問因特網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)*濾防火墻。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的SOHO 路由器設(shè)計(jì)方案。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案相比，本文采用ATM9TDMI+Linux 構(gòu)架設(shè)計(jì)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。