基于嵌入式Linux平臺的多協(xié)議路由器的設(shè)計(jì)(全文)

1、基于嵌入式Linux平臺的多協(xié)議路由器的設(shè)計(jì)來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的ColdFire嵌入式處理器MCF5272、uClinux操作系統(tǒng)，以及在該平臺上運(yùn)行的路由協(xié)議0DV。引言隨著社會信息化進(jìn)程和互聯(lián)XX的飛迅進(jìn)展，對無線環(huán)境下提供數(shù)據(jù)服務(wù)的需求變得更加迫切。傳統(tǒng)的無線移動XX絡(luò)通常以固定的基礎(chǔ)設(shè)施為支撐，無法滿足人們對日益增長的通信業(yè)務(wù)的要求，一種新型的無線XX絡(luò)dHocXX絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。dHocXX絡(luò)又稱移動自組XX、多跳XX絡(luò)，具備細(xì)XX靈活、快捷，不受有線XX絡(luò)的影響等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事和救援等無法或不便預(yù)先鋪設(shè)XX絡(luò)設(shè)施的場合。此外，dHocXX絡(luò)朝著XX絡(luò)互連的方向進(jìn)展，I

2、nternet的接入是其中一項(xiàng)主要內(nèi)容。dHoc無線XX絡(luò)具有自身的特別性，在組建實(shí)際使用的無線工作XX絡(luò)時(shí)，必須充分考慮XX絡(luò)的應(yīng)用規(guī)模和擴(kuò)展性，以及應(yīng)用的可靠程度及實(shí)時(shí)性要求，選擇合適的XX絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前dHoc無線XX絡(luò)正朝著大規(guī)模方向進(jìn)展，逐漸呈現(xiàn)分級化的趨勢，以兩級式的XX絡(luò)為代表。在兩級式XX絡(luò)中，拓?fù)淙鐖D1所示。XX絡(luò)分為骨干XX、子XX兩級。子XX級中，每個(gè)子XX都可以構(gòu)成獨(dú)立的dHocXX絡(luò)，可采納不同的路由協(xié)議。骨干XX由多協(xié)議路由器節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中，一般節(jié)點(diǎn)主要完成骨干XX中的數(shù)據(jù)和操縱信息的分發(fā)；而多協(xié)議路由器除了具備一般節(jié)點(diǎn)的功能外還要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對子XX的治理

3、、操縱和數(shù)據(jù)交互，是骨干XX的核心設(shè)備。多協(xié)議路由器的功能多協(xié)議路由器作為骨干XX的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行一定的dHocXX絡(luò)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)骨干XX絡(luò)由尋址的功能。在分級式dHocXX絡(luò)中，多協(xié)議路由器通過和子XXXX關(guān)進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)對子XX的治理。子XX內(nèi)的通信類似于一般的dHocXX絡(luò)；而子XX間的通信需要通過子XXXX關(guān)節(jié)點(diǎn)和骨干XX節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，可分為兩種情況同一路由器下同構(gòu)/異構(gòu)子XX間的通信以及不同路由器下同構(gòu)/異構(gòu)子XX間的通信。為了實(shí)現(xiàn)子XX間的有效通信，路由器需要完成多種協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。Internet接入的需求使得分級式dHocXX絡(luò)必須存在一個(gè)接入點(diǎn)P(ccessPoint)。

4、考慮到XX絡(luò)環(huán)境，這個(gè)功能需要由多協(xié)議路由器實(shí)現(xiàn)。綜上所述，多協(xié)議路由器主要實(shí)現(xiàn)骨干XX路由尋址、協(xié)議轉(zhuǎn)換、Internet接入的P三大功能。多協(xié)議路由器的設(shè)計(jì)一般情況下，dHocXX中的路由器為車載式或背負(fù)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(shè)計(jì)方法，多協(xié)議路由器的硬件平臺的微處理器采納Motorol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(shè)計(jì)、調(diào)試帶來極大的方便多協(xié)議路由器硬件設(shè)計(jì)如圖2中的虛線框圖所示。路由器的硬件結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分為核心模

5、式（MCF5272）部分，由微操縱器模塊和存儲器模塊（包括SDRM和Flsh）組成；另一部分為通信接口模塊部分，由異步串行操縱和收發(fā)模塊、以太XX操縱和收發(fā)模塊及通用串行總線USB（UniverslSerilBus）接口模塊組成。核心模塊部分，微處理器模塊主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)。存儲器模塊分為兩部分：一部分為Flsh（由兩片F(xiàn)lsh構(gòu)成，共4MB），作為程序存儲器，用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、各種路由協(xié)議和路由表常量；另一部分為SDRM，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(yùn)行空間。通信接口模塊中，異步串行操縱和收發(fā)模塊用于與多個(gè)骨干XX節(jié)點(diǎn)無線連接的同時(shí)，連接多個(gè)子XXXX關(guān)PRU（即分組無線操

6、縱單元）。以太XX操縱和收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)Internet接入功能。USB接口模塊用作連接XX絡(luò)設(shè)備操縱終端，以及實(shí)現(xiàn)路由器對USB設(shè)備（如USB標(biāo)準(zhǔn)的移動硬盤，用來存儲重要的路由信息）的存儲操縱。圖2中的PRU（PcketRdioUnit），在這里相當(dāng)于路由器的輔助處理器，用于對接收到的無線子XX分組進(jìn)行預(yù)處理。多協(xié)議路由器的實(shí)現(xiàn)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(gè)適合的微處理器，而選擇適用于路由器的微操縱器MCU一般要考慮以下幾個(gè)方面：處理速度、總線寬度、集成度以及性價(jià)比。綜合考慮了上述幾個(gè)方面，我們最終選用MotorolColdFire5272（以下簡稱MCF5272）為

7、主控CPU。MCF5272是Motorol推出的一款高集成度的32位ColdFire微處理器，有很強(qiáng)的通信處理能力和較高的性能價(jià)格比，很適合用于中小型XX絡(luò)的操縱設(shè)備。MCF5272采納ColdFireV2可變長RISC處理器核心和DigitlDN技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能達(dá)到63Dhrystone2.1MIPS的優(yōu)良處理能力。其內(nèi)部SIM單元（SystemIntegrtedModule）集成了豐富的通用模塊，如10/100Mbps快速以太XX操縱器、USB1.1接口等，并且能夠與常用外圍設(shè)備（如SDRM、ISDN收發(fā)器）實(shí)現(xiàn)無縫連接。MCF5272內(nèi)部集成了4KB的SDRM（靜態(tài)RM）、片外

8、擴(kuò)展的Flsh（閃爍存儲器）和SDRM（同步動態(tài)RM）。MCF5272集成了豐富的外圍設(shè)備及其接口，主要包括2個(gè)通用異步串口收發(fā)模塊，1個(gè)自適應(yīng)快速以太XX媒體接入操縱器模塊，1個(gè)USB操縱器（作為從設(shè)備）模塊。按照圖2所示的路由器設(shè)計(jì)，需要在MCF5272的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的擴(kuò)展。多協(xié)議路由器需要連接多個(gè)子XX和骨干XX節(jié)點(diǎn)，而MCF5272只集成了2個(gè)URT操縱器，因此在異步串行擴(kuò)展和收發(fā)模塊中利用ST16C554擴(kuò)展了4個(gè)URT操縱器，從而保證某個(gè)多協(xié)議路由器在與其它2個(gè)骨干XX節(jié)點(diǎn)相連的同時(shí)，可以與4個(gè)子XX相連。在USB接口模塊中，使用MCF5272集成的USB操縱器（從設(shè)備）作為XX

9、絡(luò)治理操縱終端，另外擴(kuò)展了1個(gè)主USB操縱器實(shí)現(xiàn)路由器對USB設(shè)備的存儲操縱。利用MCF5272集成的快速以太XX媒體接入操縱器，擴(kuò)展一個(gè)外部適配器（收發(fā)器）后可以實(shí)現(xiàn)接入以太XX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。32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(nèi)存等。Linux是一種很受歡迎的類Unix操作系統(tǒng)。它免費(fèi)并開放源代碼，在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。更重要的是，Linux采納模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中可以定制，因此Linux也適用于嵌入式領(lǐng)域。MCF5272是一種沒有MMU的微處理器，故我們選擇了專為嵌

10、入式NOMMU微處理器定制的操作系統(tǒng)uCLinux、uClinux正是Linux的一個(gè)嵌入式版本，其內(nèi)核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512KB。UClinux支持多任務(wù)，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XX絡(luò)協(xié)議，可滿足dHocXX絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入Internet的需要。另外，uClinux可移植性很強(qiáng)，用戶通過重新配置、編譯內(nèi)核，能很方便地將其移植到多種處理器計(jì)算平臺。嵌入式Linux移植技術(shù)是從事嵌入Linux開發(fā)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，要求開發(fā)人員對Linux內(nèi)核有相當(dāng)程度的理解，具備修改內(nèi)核的能力。下面簡單介紹uClinux的移植過程。1）精簡內(nèi)核精簡內(nèi)核構(gòu)造內(nèi)核的常用命令

11、包括：mkeconfig、dep、clen、mrproper、zImge、bzImge、modules、modules_instll?？墒褂眠@些命令把所有可以去掉的選項(xiàng)都去掉，盡可能地精簡內(nèi)核。2）修改硬件相關(guān)代碼作為源泉代碼公開的操作系統(tǒng)，uClinux源碼可以從獲得。系統(tǒng)啟動過程中，需要添加三個(gè)文件：crt0_rom.s、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.s可以由crt0_rm.s修改得到，它提供一個(gè)ROM矢量表以供CPU上電時(shí)讀取，初始化CPU寄存器，設(shè)置程序堆棧，并最終跳轉(zhuǎn)到uClinux內(nèi)核。Sysinit.c針對實(shí)際情況做必要的修改，主要就實(shí)際占用的片選資源CS0

12、CS7、SDRM操縱寄存器SDCR、SDTR作一些修改以適應(yīng)硬件平臺。rom.ld文件用于計(jì)算ROMFS文件系統(tǒng)的二進(jìn)制映像romfs.img在ROM中的實(shí)際存放地址。3）修改啟動腳本在uClinux完成內(nèi)核初始化之后，由init（void*）內(nèi)核調(diào)用/bin/init，然后執(zhí)行/etc/re腳本的命令?？梢岳眠@個(gè)腳本完成系統(tǒng)上電后的自動配置，或運(yùn)行用戶程序。（4）內(nèi)核配置與編譯需要建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境來完成內(nèi)核和應(yīng)用程序的編譯，生成ROMFS文件系統(tǒng)，并最終形成一個(gè)固化文件。也提供這樣一個(gè)工具包。正確安裝后，就可以進(jìn)行編譯了。首先進(jìn)入源代碼目錄uClinuxdist，執(zhí)行mkexconfi

13、g,在彈出的對話框中選擇“TrgetPltformSelection”,然后進(jìn)行相應(yīng)配置。配置完畢后，在源代碼目錄執(zhí)行“mkedep”以及“mke”，就得到了所要的二進(jìn)制內(nèi)核映像imge.bin，可以直接下載到硬件平臺運(yùn)行。33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(gè)最基本的系統(tǒng)平臺，針對實(shí)際應(yīng)用還必須編寫用戶所必需的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件。MCF5272集成了2個(gè)URT操縱器、1個(gè)從USB操縱器和1個(gè)以太XX操縱器。我們又?jǐn)U展了1個(gè)主USB操縱器和4個(gè)URT操縱器，為這些設(shè)備編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，并且在uClinux和驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)路由器軟件（包括路由模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模

14、塊和無線XX絡(luò)節(jié)點(diǎn)掃瞄Internet代理模塊）。在路由模塊中，可根據(jù)具體的情況選擇適當(dāng)?shù)穆酚蓞f(xié)議進(jìn)行加載。根據(jù)實(shí)際情況，在骨干XX中采納按需路由協(xié)議ODV。其基本實(shí)現(xiàn)思想是：當(dāng)骨干XX某一路由請求節(jié)點(diǎn)有分組發(fā)送并發(fā)現(xiàn)沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，它將啟動路由建立過程，即組建一個(gè)路由尋找分組RREQ（RouteRequestMessge）并在XX絡(luò)中泛洪尋址。路由表中有到目的節(jié)點(diǎn)有效路由，并組建一個(gè)路由響應(yīng)分組RREP（RouteReplyMessge）并反向回播給路由請求節(jié)點(diǎn)建立路由，否則繼續(xù)泛洪RREQ分組。如果路由請求節(jié)點(diǎn)再收到RREP分組，說明XX絡(luò)中已經(jīng)建立到目的節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)在接收RREQ的時(shí)候會反向建立到路由發(fā)起節(jié)點(diǎn)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(diǎn)；同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收RREP的時(shí)候會正在向建立到目的節(jié)點(diǎn)的路