針對目前SOHO路由器設計方案難以滿足高速接入網用戶要求和存在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的不足，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為基礎,，提出一種新的 SOHO（Small Office and Home Office）路由器設計方案,，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
0 引言
隨著通信技術,、網絡技術的迅速發(fā)展,，大量網絡設備接入網絡，互聯(lián)網用戶數(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、家庭等小型局域網提供高效,、廉價的共享上網方案,。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
路由器有位于網絡中心的核心路由器、連接企業(yè)級網絡的企業(yè)路由器以及把家庭或小單位用戶接入網絡的 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,，把局域網內部私用有IP 地址轉換成一個合法的公網IP 地址,，使私有網絡中多臺主機共享一個合法的 IP 地址訪問因特網。
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,。IP Masquerade 工作原理：客戶機將實現(xiàn)IP Masquerade 的Linux 機器設置為缺省網關，當IP Masquerade 的Linux 機器收到客戶機的數(shù)據包時,，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。
?。?） 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,。
?。?） 以太網控制芯片
DM9000 是一款高性價比以太網控制芯片，具有通用處理接口以太網MAC 控制器,，能與10Base-T 的UTP3/4/5 和100Base-T 的UTP5 接口連接,，滿足高速接入網要求，也支持通過MII 接口與其它MII 接口的收發(fā)器互聯(lián),。
?。?） 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,，適用于高速局域網交換器;每一個端口均可支持100Mbps的100BASE-TX 高速以太網傳輸或10Mbps 的10BASE-T 的以太網傳輸,。
（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)據處理和轉發(fā)提供臨時存儲空間,。以太網控制芯片DM9000,，經單端口隔離變壓器和RJ45 接口與互聯(lián)網相連。DM9000 通過MII（獨立媒體接口）與交換控制芯片RTL8305SC 的PORT4 口相連,，RTL8305SC 經過4 端口隔離變壓器和四個RJ-45 接口連接局域網集線器,，交換機或電腦，進行數(shù)據交換或通過微處理器控制與廣域網連接,。
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)據線MD［0..15］與DM9000 的數(shù)據線SD［0..15］連接,，實現(xiàn)數(shù)據傳輸,。將 RTL8305S 第5 端口設定為一個MII 接口與以太網控制芯片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)。
?。?） 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)。
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*濾,、數(shù)據包處理和NAT 功能的框架,。它為每種網絡協(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)據包流經協(xié)議棧時被調用，注冊后的模塊可以檢查,、修改,、丟棄數(shù)據包及指示Netfilter 將數(shù)據包傳入用戶空間隊列，進行異步處理,。一個數(shù)據包按圖3 所示的過程通過Netfilter 系統(tǒng),。
數(shù)據包從左邊進入系統(tǒng)，進行IP 校驗后,，數(shù)據包經過第一個鉤子函數(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)據包是需要轉發(fā)還是發(fā)給本機的;若該數(shù)據包是發(fā)給本機的,，則該數(shù)據經過鉤子函數(shù)NF_IP_LOCAL_IN處理后傳遞給上層協(xié)議;若該數(shù)據包應該被轉發(fā)則它被NF_IP_FORWARD［3］處理;經過發(fā)的數(shù)據包經過最后一個鉤子函數(shù)NF_IP_POST_ROUTING［4］處理后，再傳輸?shù)骄W絡上,。
本地產生的數(shù)據經過鉤子函數(shù)NF_IP_LOCAL_OUT［5］處理后,，進行路由選擇處理，然后經過NF_IP_POST_ROUTING［4］ 處理以后發(fā)送到網絡上,。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)據包經過NF_IP_POST_ROUTING 時修改數(shù)據包的源地址,，偽裝是一個特殊的SNAT，目的NAT在數(shù)據包經過F_IP_LOCAL_OUT 或NF_IP_PRE—ROUTING 時修改數(shù)據包目的地址,。
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)據包流經指定的規(guī)則表,，其中設定的規(guī)則用于實現(xiàn)數(shù)據*濾，網絡地址轉換及數(shù)據包處理,，從而實現(xiàn)多臺主機共享一個合法的IP 地址訪問因特網,，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，能滿足高速接入網用戶需求,，具有更高地系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶安全性,。