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(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,、廉價的共享上網(wǎng)方案,。當(dāng)前SOHO 路由器設(shè)計,采用
ARM7TDMI+μClinux 設(shè)計架構(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)換成一個合法的公網(wǎng)IP 地址,使私有網(wǎng)絡(luò)中多臺主機(jī)共享一個合法的 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)實現(xiàn)NAT 轉(zhuǎn)換,,實現(xiàn)多臺主機(jī)共享訪問因特網(wǎng)。IP Masquerade 工作原理:客戶機(jī)將實現(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,,對其進(jìn)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(jìn)行記錄;當(dāng)接收到響應(yīng)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(jìn)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(jī)IP 地址和端口號,,然后再發(fā)送給客戶機(jī),。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)以 S3C2410X 微處理器為核心,外擴(kuò)存儲器,、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) 微處理器與存儲系統(tǒng)
S3C2410X 是SAMSUNG 公司開發(fā)的一款低價,、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。
?。?) 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)。
?。?) 交換控制芯片
RTL8305S 是臺灣瑞昱公司最新設(shè)計的5 端口10/100Mbps 高速以太網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(zhuǎn)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。
?。?) 系統(tǒng)實現(xiàn)
S3C2410X 微處理器通過系統(tǒng)總線連接FLASH和SDRAM構(gòu)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(zhuǎn)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(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(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,,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。將 RTL8305S 第5 端口設(shè)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(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 針對目標(biāo)平臺對各配置文件做相應(yīng)的修改,。2 建立相應(yīng)地配置文件,。3 修改U—BOOT的makefile 文件,在其中加入對目標(biāo)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(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)。
?。?) Linux 內(nèi)核構(gòu)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(nèi)核。3 使用make dep,、makezImage 命令對內(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)實現(xiàn)
Netfilter 是Linux2.4 內(nèi)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(luò)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(nèi)核中任何模塊可以對協(xié)議中的鉤子函數(shù)進(jìn)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(diào)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(jìn)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(jìn)入系統(tǒng),,進(jìn)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(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(zhuǎn)發(fā),、ALG。IPtables 是一個在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)換會導(dǎo)致許多對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),對載荷中的IP地址和端口號進(jìn)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(shè)定的規(guī)則用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)*濾,,網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)包處理,,從而實現(xiàn)多臺主機(jī)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(jié)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(shè)計方案,。與現(xiàn)有設(shè)計方案相比,本文采用ATM9TDMI+Linux 構(gòu)架設(shè)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。