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基于嵌入式Linux平臺的多協(xié)議路由器的設計
來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應用 作者：朱雅瓊 李建東 盛 敏摘要：介紹在分級Ad Hoc網(wǎng)絡中多協(xié)議路由器的地位及功能，在此基礎上提出一種多協(xié)議路由器設計方案。結合設計方案，介紹實現(xiàn)方案中所采用的Motorola公司的ColdFire嵌入式處理器MCF5272、uClinux操作系統(tǒng)，以及在該平臺上運行的路由協(xié)議A0DV。
關鍵詞：路由器 MVF5272 uClinux A0DV
引言
隨著社會信息化進程和互聯(lián)網(wǎng)的飛迅發(fā)展，對無線環(huán)境下提供數(shù)據(jù)服務的需求變得更加迫切。傳統(tǒng)的無線移動網(wǎng)絡通常以固定的基礎設施為支撐，無法滿足人們對日益增長的通信業(yè)務的要求，一種新型的無線網(wǎng)絡——AdHoc網(wǎng)絡應運而生。Ad Hoc網(wǎng)絡又稱移動自組網(wǎng)、多跳網(wǎng)絡，具備細網(wǎng)靈活、快捷，不受有線網(wǎng)絡的影響等特點，可廣泛應用于軍事和救援等無法或不便預先鋪設網(wǎng)絡設施的場合。此外，Ad Hoc網(wǎng)絡朝著網(wǎng)絡互連的方向發(fā)展，Internet的接入是其中一項主要內容。
Ad Hoc無線網(wǎng)絡具有自身的特殊性，在組建實際使用的無線工作網(wǎng)絡時，必須充分考慮網(wǎng)絡的應用規(guī)模和擴展性，以及應用的可靠程度及實時性要求，選擇合適的網(wǎng)絡拓撲結構。目前Ad Hoc無線網(wǎng)絡正朝著大規(guī)模方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)分級化的趨勢，以兩級式的網(wǎng)絡為代表。在兩級式網(wǎng)絡中，拓撲如圖1所示。網(wǎng)絡分為骨干網(wǎng)、子網(wǎng)兩級。子網(wǎng)級中，每個子網(wǎng)都可以構成獨立的Ad Hoc網(wǎng)絡，可采用不同的路由協(xié)議。骨干網(wǎng)由多協(xié)議路由器節(jié)點和普通節(jié)點構成，其中，普通節(jié)點主要完成骨干網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和控制信息的分發(fā)；而多協(xié)議路由器除了具備普通節(jié)點的功能外還要負責實現(xiàn)對子網(wǎng)的管理、控制和數(shù)據(jù)交互，是骨干網(wǎng)的核心設備。
1 多協(xié)議路由器的功能
多協(xié)議路由器作為骨干網(wǎng)的一個節(jié)點，運行一定的Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議，實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡由尋址的功能。
在分級式Ad Hoc網(wǎng)絡中，多協(xié)議路由器通過和子網(wǎng)網(wǎng)關進行交互實現(xiàn)對子網(wǎng)的管理。子網(wǎng)內的通信類似于一般的Ad Hoc網(wǎng)絡；而子網(wǎng)間的通信需要通過子網(wǎng)網(wǎng)關節(jié)點和骨干網(wǎng)節(jié)點進行中轉，可分為兩種情況—同一路由器下同構/異構子網(wǎng)間的通信以及不同路由器下同構/異構子網(wǎng)間的通信。為了實現(xiàn)子網(wǎng)間的有效通信，路由器需要完成多種協(xié)議之間的相互轉換。
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Internet接入的需求使得分級式Ad Hoc網(wǎng)絡必須存在一個接入點AP（Access Point）。考慮到網(wǎng)絡環(huán)境，這個功能需要由多協(xié)議路由器實現(xiàn)。
綜上所述，多協(xié)議路由器主要實現(xiàn)骨干網(wǎng)路由尋址、協(xié)議轉換、Internet接入的AP三大功能。
2 多協(xié)議路由器的設計
一般情況下，Ad Hoc網(wǎng)中的路由器為車載式或背負式，所以多協(xié)議路由器必須有高集成度和移動性�？紤]到以上因素，我們選用了現(xiàn)在最為流行的嵌入式系統(tǒng)設計方法，多協(xié)議路由器的硬件平臺的微處理器采用Motorola公司的ColdFire嵌入式處理器MCF5272，選擇uClinux作為平臺的操作系統(tǒng)。這樣不僅可以縮短研發(fā)周期，而且為軟硬件的設計、調試帶來極大的方便。
多協(xié)議路由器硬件設計如圖2中的虛線框圖所示。路由器的硬件結構分為兩部分：一部分為核心模式（MCF5272）部分，由微控制器模塊和存儲器模塊（包括SDRAM和Flash）組成；另一部分為通信接口模塊部分，由異步串行控制和收發(fā)模塊、以太網(wǎng)控制和收發(fā)模塊及通用串行總線USB（Universal Serial Bus）接口模塊組成。
核心模塊部分，微處理器模塊主要負責處理數(shù)據(jù)。存儲器模塊分為兩部分：一部分為Flash（由兩片F(xiàn)lash構成，共4MB），作為程序存儲器，用于存儲操作系統(tǒng)內核、各種路由協(xié)議和路由表常量；另一部分為SDRAM，作為數(shù)據(jù)存儲器，用作操作系統(tǒng)和各種路由程序的運行空間。
通信接口模塊中，異步串行控制和收發(fā)模塊用于與多個骨干網(wǎng)節(jié)點無線連接的同時，連接多個子網(wǎng)網(wǎng)關PRU（即分組無線控制單元）。以太網(wǎng)控制和收發(fā)模塊可以實現(xiàn)Internet接入功能。USB接口模塊用作連接網(wǎng)絡設備控制終端，以及實現(xiàn)路由器對USB設備（如USB標準的移動硬盤，用來存儲重要的路由信息）的存儲控制。
圖2中的PRU（Packet Radio Unit），在這里相當于路由器的輔助處理器，用于對接收到的無線子網(wǎng)分組進行預處理。
3 多協(xié)議路由器的實現(xiàn)
3．1 硬件平臺的建立
使用嵌入式系統(tǒng)，必須為硬件平臺選擇一個適合的微處理器，而選擇適用于路由器的微控制器MCU一般要考慮以下幾個方面：處理速度、總線寬度、集成度以及性價比。綜合考慮了上述幾個方面，我們最終選用Motorola ColdFire 5272（以下簡稱MCF52
72）為主控CPU。MCF5272是Motorola推出的一款高集成度的32位ColdFire微處理器，有很強的通信處理能力和較高的性能價格比，很適合用于中小型網(wǎng)絡的控制設備。
MCF5272采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigitalDNA技術，在66MHz時鐘下能達到63Dhrystone2.1MIPS的優(yōu)良處理能力。其內部SIM單元（System Integrated Module）集成了豐富的通用模塊，如10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制器、USB1.1接口等，并且能夠與常用外圍設備（如SDRAM、ISDN收發(fā)器）實現(xiàn)無縫連接。
MCF5272內部集成了4KB的SDRAM（靜態(tài)RAM）、片外擴展的Flash（閃爍存儲器）和SDRAM（同步動態(tài)RAM）。
MCF5272集成了豐富的外圍設備及其接口，主要包括2個通用異步串口收發(fā)模塊，1個自適應快速以太網(wǎng)媒體接入控制器模塊，1個USB控制器（作為從設備）模塊。
按照圖2所示的路由器設計，需要在MCF5272的基礎上進行一定的擴展。多協(xié)議路由器需要連接多個子網(wǎng)和骨干網(wǎng)節(jié)點，而MCF5272只集成了2個UART控制器，因此在異步串行擴展和收發(fā)模塊中利用ST 16C554擴展了4個UART控制器，從而保證某個多協(xié)議路由器在與其它2個骨干網(wǎng)節(jié)點相連的同時，可以與4個子網(wǎng)相連。在USB接口模塊中，使用MCF5272集成的USB控制器（從設備）作為網(wǎng)絡管理控制終端，另外擴展了1個主USB控制器實現(xiàn)路由器對USB設備的存儲控制。利用MCF5272集成的快速以太網(wǎng)媒體接入控制器，擴展一個外部適配器（收發(fā)器）后可以實現(xiàn)接入以太網(wǎng)的功能。
經(jīng)以上步驟，我們得到了多協(xié)議路由器的硬件平臺。
3．2 操作系統(tǒng)uClinux
由于硬件的限制，嵌入式系統(tǒng)通常只具有極稀少的硬件資源，如主頻較低的CPU、較小的內存等。Linux是一種很受歡迎的類Unix操作系統(tǒng)。它免費并開放源代碼，在個人計算機、服務器領域應用廣泛。更重要的是，Linux采用模塊化設計，實際應用中可以定制，因此Linux也適用于嵌入式領域。
MCF5272是一種沒有MMU的微處理器，故我們選擇了專為嵌入式NOMMU微處理器定制的操作系統(tǒng)uCLinux、uClinux正是Linux的一個嵌入式版本，其內核的二進制映像文件可以做到小于512KB。UClinux支持多任務，支持多種文件系統(tǒng)，具有完備的TCP/IP協(xié)議棧，并支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，可滿足Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點接入Internet的需要。另外，uClinux可移植性很強，用戶通過重新配置、編譯內核，能很方便地將其移植到多種處理器計算平臺。
嵌入式Linux移植技術是從事嵌入Linux開發(fā)的一項關鍵技術，要求開發(fā)人員對Linux內核有相當程度的理解，具備修改內核的能力。下面簡單介紹uClinux的移植過程。
（1）精簡內核
精簡內核構造內核的常用命令包括：make config、dep、clean、mrproper、zImage、bzImage、modules、modules_install�？墒褂眠@些命令把所有可以去掉的選項都去掉，盡可能地精簡內核。
（2）修改硬件相關代碼
作為源泉代碼公開的操作系統(tǒng)，uClinux源碼可以從www.uClinux.org獲得。系統(tǒng)啟動過程中，需要添加三個文件：crt0_rom.s、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.s可以由crt0_ram.s修改得到，它提供一個ROM矢量表以供CPU上電時讀取，初始化CPU寄存器，設置程序堆棧，并最終跳轉到uClinux內核。Sysinit.c針對實際情況做必要的修改，主要就實際占用的片選資源CS0～CS7、SDRAM控制寄存器SDCR、SDTR作一些修改以適應硬件平臺。rom.ld文件用于計算ROMFS文件系統(tǒng)的二進制映像romfs.img在ROM中的實際存放地址。
（3）修改啟動腳本
在uClinux完成內核初始化之后，由init(void *)內核調用/bin/init，然后執(zhí)行/etc/re腳本的命令�？梢岳眠@個腳本完成系統(tǒng)上電后的自動配置，或運行用戶程序。
圖2
（4）內核配置與編譯
需要建立一個交叉編譯環(huán)境來完成內核和應用程序的編譯，生成ROMFS文件系統(tǒng)，并最終形成一個固化文件。www.uClinux.org也提供這樣一個工具包。正確安裝后，就可以進行編譯了。首先進入源代碼目錄uClinuxdist，執(zhí)行make xconfig,在彈出的對話框中選擇“Target Platform Selection”,然后進行相應配置。配置完畢后，在源代碼目錄執(zhí)行“make dep”以及“make”，就得到了所要的二進制內核映像image.bin，可以直接下載到硬件平臺運行。
3．3 路由器軟件
移植成功后的uClinux操作系統(tǒng)只向用戶提供了一個最基本的系統(tǒng)平臺，針對實際應用還必須編寫用戶所必需的驅動程序和應用軟件。MCF5272集成了2個UART控制器、1個從USB控制器和1個以太網(wǎng)控制器。我們又擴展了1個主USB控制器和4個UART控制器，為這些設備編寫相應的驅動程序，并且在uClinux和驅動程序的基礎上，實現(xiàn)路由器軟件（包括路由模塊、協(xié)議轉換模塊和無線網(wǎng)絡節(jié)點瀏覽Internet代理模塊）。
在路由模塊中，可根據(jù)具體的情況選擇適當?shù)穆酚蓞f(xié)議進行加載。根據(jù)實際情況，在骨干網(wǎng)中采用按需路由協(xié)議AODV。其基本實現(xiàn)思想是：當骨干網(wǎng)某一路由請求節(jié)點有分組發(fā)送并發(fā)現(xiàn)沒有到達目的節(jié)點的有效路由時，它將啟動路由建立過程，即組建一個路由尋找分組RREQ（Route Request Message）并在網(wǎng)絡中泛洪尋址。路由表中有到目的節(jié)點有效路由，并組建一個路由響應分組RREP（Route Reply Message）并反向回播給路由請求節(jié)點建立路由，否則繼續(xù)泛洪RREQ分組。如果路由請求節(jié)點再收到RREP分組，說明網(wǎng)絡中已經(jīng)建立到目的節(jié)點的路由，可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)分組，否則可能繼續(xù)發(fā)起下一次路由建立過程，也可以對數(shù)據(jù)丟棄處理。這里值得注意的是，每一個節(jié)點在接收RREQ的時候會反向建立到路由發(fā)起節(jié)點的路由（反向建鏈過程），以使得RREP可以沿此路徑返回源節(jié)點；同時，每個節(jié)點在接收RREP的時候會正在向建立到目的節(jié)點的路由（正向建鏈過程）以使得分組可以沿此路徑將分組傳輸給目的節(jié)點。在上述尋找路由的過程中，RREQ和RREP中均包含路由信息和節(jié)點的序號標識，以用來進行路由更新及避免路由閉環(huán)。
結語
近年來，嵌入式系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)的有機結合，已廣泛應用于網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制、機頂盒 、PDA等諸多領域。本文提出了一種基于嵌入式Linux平臺的多協(xié)議路由器的設計方案，目前該設計方案已經(jīng)實現(xiàn)。實踐證明，此多協(xié)議路由器易于實現(xiàn)、性能穩(wěn)定、運行效率較高，可應用于分級式Ad Hoc網(wǎng)絡。
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