菜鸟成长手册：路由器技术深入剖解

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宽带上网已经不是什么新鲜事情，人们对相关的网络器件已经不再陌生，比如说常见的路由器，见图1。对于一般的网络用户，他们能知道怎样使用路由器来上网、玩游戏等就已经感到很满足了，通常情况下对路由器的深层技术很少去过问研究，但做为兴趣广泛的技术爱好者，对这方面的知识是非常感兴趣的。    但限于各种条件的制约，这些爱好者都非开发者，很大程度上无法深入了解真正的技术实现过程以及相关的核心内幕。
    正是基于此点，笔者凭借自身的知识沉淀，尽最大努力为爱好技术的读者架设一坐能通向深层核心的桥梁，为大家揭开路由器的神秘面纱，剖开其核心内脏。为使读者能清晰明白的理解掌握，笔者尽量将专业的技术内容转化为容易接受的知识讲解，其中可能有不足偏颇之处，还请大家多见谅。
　　概述
　　什么是路由器?
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图1

　　互联网是依靠路由器连接起来的，路由器是互联网或者说IP网络的核心设备。宽带接入的不断增长，带动了路由器的需求不断增加。
　　路由器究竟是什么样的技术产物?
　　谈到路由器的开发，我们就不免要谈到“嵌入式”设备的开发，没错，通俗的说，路由器就是一种嵌入式产品。那么究竟什么是嵌入式设备呢?春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　其实就目前而言，嵌入式设备已经不断深入我们的日常生活方方面面。通俗的讲，嵌入式设备是指具有计算机功能，但又不称为计算机的设备或器材，它几乎包括了我们周围的所有电器设备:PDA、手机、机顶盒、汽车、微波炉、电梯、安全系统、自动售货机、医疗仪器、立体音响、自动取款机等。
春秋中文社区http://bbs.cqzg　　用较为专业的话来表述的话，嵌入式设备就是使用微处理器或微控制器芯片(MCU)加上外围电路再加上内部的程序部分来实现特定功能的嵌入设备。比如8位的单片机、32的ARM以及DSP芯片等都属于嵌入式核心芯片的范畴。8位MCU市场已逐步趋向稳定，32位MPU代表着嵌入式技术的发展方向，正在加速发展。在32位嵌入式微处理器市场上，基于ARM内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位，因此追踪ARM技术的发展趋势显得尤为重要。
　　路由器的开发通常都是基于32位处理器的，就通常的中低端路由器而言，在开发的配置上有多种选择，比如有ARM9核心芯片+Wince操作系统、ARM7核心芯片+uClinux操作系统、DSP芯片+Vxworks操作系统等等各种各样的选择。本文针对常用的SOHO路由器来介绍，选择ARM7核心芯片+uClinux操作系统开发模式，以完整形象的实例为大家清晰讲解路由器的技术实现过程。
　　我们为什么以SOHO路由器为介绍对象呢?什么是SOHO路由器?前很多家庭中有不止一台电脑，需要上网获取信息、收发邮件等。这些小型公司和家庭网络用户计算机的数目一般不多，网络结构不复杂。功能和带宽的要求不高。出于提高网络性能、共享有限IP地址或节省上网费用等原因，这些用户迫切需要具有较高性价比的小型路由器。我们把这种小型路由器称为SOHO路由器。目前市场上已经充斥了大量的这类低端路由器.由于ARM7系列芯片价格便宜，非常适合嵌入式系统使用。目前市场上的SOHO路由器大多采用ARM7系列处理器。不过由于技术的发展，ARM9系列的专用路由芯片的路由器也逐渐普及。

路由器宏观介绍

嵌入式设备的开发三层模式

　　我们可以形象的把嵌入式设备的开发简单的理解成三层模式，最底层的是微控制器芯片加外围器件组成的硬件系统，比如我们介绍的开发小型SOHO路由器所使用的ARM7TDMI芯片等硬件环境，它是设备功能实现的硬件基础，要实现上层的应用肯定离不开最底层硬件的支持。中间层是操作系统，比如我们所选择的uClinux操作系统，它是衔接硬件部分和应用程序的过渡层，它既可以完成对底层硬件的基本操作，又能为上层应用程序提供运行环境支持。最上层自然就是应用程序层了，它是实现针对性应用的程序代码部分，比如路由设置等功能程序部分。
　　那对与SOHO路由器来说，它当然也脱离不了这样的技术框架，它的更为具体的实现过程简单的汇总的话，莫过于如下内容：
　　首先先要知道SOHO实现的网络功能，典型路由器应该具备以下功能:

• 　　支持PPPoE，固定IP上网；
• 　　DHCP动态主机配置协议；
• 　　网络地址转换(NAT)技术；
• 　　根据TCP，UDP的端口号(port number)，IP 的(协议号)protocol number，对IP地址进行简单过滤的防火墙；
• 　　虚拟服务主机/端口映射(Port Forwarding)技术；
• 　　支持一定数量的特殊应用程序；

　　然后针对于上边的功能要求，相应地要通过硬件和软件的构造来实现：春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　硬件方面：
　　1、要明确家用小型路由器(一个WAN接口，四个LAN接口)的硬件原理。
　　2、实现硬件电路板设计，完成电路布线设计，并对元件焊接，通过硬件板的调试。
　　软件方面：
　　1、在分析 uClinux内核源代码的基础上，对uClinux操作系统的内核裁剪。
　　2、完成BoaWeb服务器的配置，并对CGI脚本进行设计，完成动态网页的功能。
　　3、对PPPOE的拨号进行配置实现。春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　4、针对Linux内核防火墙部分，运用IPtable工具进行防火墙规则操作。
　　通过如上的基本构造，一个路由器就基本成型了。说起来简单，但其中包含了很多很多的技术细节，要有大量的实践经验才能真正实现。做为门外观奇的好学读者，现在肯定有些不耐烦了吧，想要了解更多的更详细的构造内容吧?那好，现在就可以开始我们真正的技术之旅了。

路由器工作原理　　1、基本原理
　　要实 现 网 络中通信节点彼此之间的通信，首先必须给每个节点分配一个唯一的IP地址。路由器应该至少有两个网络端口，分别连接LAN或者WAN子网上，每个端口必须具有一个唯一的IP地址，并且要求与所连接IP子网的网络号相同。不同的端口有不同的网络号，对应不同的IP子网，这样各子网中的主机才能通过自己子网的IP地址把要求发出去的IP数据报送到路由器上。
　　当路由器收到一份IP数据报后，首先要对该报文进行判断，然后根据判断的结果做进一步的处理。如果数据报是有效或正确的，路由器就根据数据报的目的IP地址转发该报文:否则就把报文丢弃。如果这个数据报的目的IP地址与路由器直接相连的一个子网上，路由器会通过相应的接口把报文转发到目的子网上去；否则会把它转发到下一跳(Hop)路由器。为了完成上述的操作，每台路由器必须维护一个路由表。把对应不同目的地的最佳路径存放在路由表中，这就是路由策略(Routing Policy)问题。路由表反映网络的拓扑结构，一般一条表项应该包含数据报的目的IP地址(通常是目的主机所在网络的地址)、下一跳路由器的地址和相应的网络接口等，在网络拓扑发生变化的时候，路由表也应该做相应的变动。所以路由器必须能够生成并更新路由表。
春秋中文社区http://bbs.cqzg　　选路机制实际上就是如何查找路由表，通过查询路由表来决定向哪个方向转发数据。一般来说，路由器首先搜索匹配的主机地址:如果没有，再搜索匹配的网络地址:最后搜索默认路由。一旦查到匹配的表项，路由器就会把数据从相应的接口发送出去。
　　路由器具备了上述各要素后，就可以完成数据转发任务了。另外，路由器不仅负责对IP包的转发，还要负责与别的路由器进行联络，共同确定互联网的路由选择和路由表的更新维护。
　　2、SOHO路由器原理
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SOHO路由器

　　当内部计算机要与外部Internet网络进行通信时，各内部间通过私有IP地址进行通信的计算机必须把私有IP地址转换成合法IP。这种网络地址转换技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。在一个实际的私有网络中，NAT功能通常内建在路由器、防火墙或独立的NAT设备之上，网络中的主机将这些设备作为自己的默认网关。通过这样的配置，每一台内部主机发送往Internet的数据报就会送到具有NAT功能的设备中进行转换。NAT是SOHO路由器的必备功能，它是为解决IPv4地址不够分配的矛盾而产生的一个简单高效的解决方案。它能将任何两个地址域的地址进行转换，使私有网络中多台主机共享一个合法IP地址访问Internet。

嵌入式路由器硬件系统介绍　　1、硬件系统总体结构
　　硬件结构是非常重要的部分，因为我们拆开一个路由器后首先看到的、所能看到的也就是硬件结构，我们就举例简单介绍一下硬件设计的各个部位的细节内容。

交换式宽带路由器的硬件设计实例图

　　为了宏观查看，我们给出交换式宽带路由器的硬件设计实例图一张。图中主要分为两部分:
　　ARM4510B部分和交换芯片RTL8305部分，前者主要见上半图，后者为下半图。还有电源及各自的复位电路。
　　ARM4510B部分中，中央处理芯片为带有网络接口的S3C4510B--16/32位RISC微控制器，根据嵌入式操作系统的运行需要，扩展了SDRAM存储器和Flash存储器。SDRAM存储器由两片4X1MX16位的HY57V641620HGT
　　组成，作为嵌入式操作系统内核及应该程序运行的内存空间。Flash存储器由一片1MX16位的SS139VF160组成，作为内核映像的存储，并在嵌入式操作系统启动时加载系统内核及程序。根据调试程序及烧写Flash存储器的需要，引出JTAG接口。根据显示调试和运行信息的需要，提供了RS232接口。交换芯片 RTL8305部分中，提供4个LAN口(PORTO--PORT3)通过一四口的网络隔离变压器连接一个四口RJ45口，每个口可连接到10/10013aseT以太网，各端口之间有交换功能:还有一个WAN接口(CPO RT4)通过一单口的隔离变压器连接RJ45口。根据显示连接速度、状态和电源等需要，接出LED灯进行显示。根据交换芯片的管理需要，提供一串行EEPROM 24C01电路接口。根据交换芯片的主电源为2.5V.提供一个3.3V到2.5V的转换器。
春秋中文社区http://bbs.cqzg　　中央处理芯片通过MR(独立媒体接口)接口与交换芯片RTL8035SB的PORT4的Mil接口相联，将交换芯片的PORT4配置为物理层接收器。
　　当各部分电路设计完成后，形成硬件连接图，进而焊接之后，就可以作为开发用的实验硬件板了。下面就简要介绍一下个硬件电路部分。
　　2、硬件系统的简要设计介绍
　　⑴ARM处理器系统设计介绍
　　①S304510B概述
　　Samsung公司的S34510B是基于以太网应用系统的高 性价比的16/32位RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位的ARM7TDMI RISC处理器核。ARM7TDMI为低功耗，高性能的16/32位核。
　　除了ARM7TDMI外，该芯片还有一些片内外围功能模块，主要为: 内部RAM (8Kbyte unified cache/SRAM)，I2 C接口电路(I2C interface)、以太网控件器(Ethernetco ntroller)，HDLC，GDMA、串口(UART)，时钟(Timers)、可编程1/O口(Programmable I/O ports)及中断控件器(Interrupt controller)等。

S3C4510B结构框图

　　S3C4510B结构框图所示。在实际运行过程中最主要用到的部分为:以太网接口及串口部分，前者用于收发以太包，后者主要作为操作系统调试接口。
　　②ARM 处理器系统电源电路和复位电路
　　主要是实现供电和复位功能，电路部分不做详细讲解，有深入研究需要的爱好者可以查看相关的电子相关参考资料进行深入学习。为使文章通俗易懂，以下各电路部分也是做一宏观介绍，细节部分包括电路布线等不再深入讲解。
　　③ARM处理器与Flash存储器接口电路春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　读者只要知道这部分的电路连接是为实现能在Flash存储器编写程序即可。
　　④ARM处理器与SDRAM接口电路设计介绍
　　与 Flash存储器相比，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存储速度大大高于Flash存储器，且具有读/写属性。因此SDRAM在系统中主要用于程序的运于空间、数据及堆栈。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0片读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　SDRAM 具有单位空间存储量大和价格便宜的特点，广泛用于各种嵌入式系统中。SDRAM 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为了避免数据丢失，必须定时刷新(充电)。因此，在系统中使用SDRAM，就要求微处理器有刷新的控制逻辑或者在系统中另外加刷新控制逻辑电路。S3C4510B在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可以方便的与SDRAM接口。
　　⑤ARM处理器串行接口电路设计介绍
　　几乎所有的微控件器、PC都提供串行接口，使用美国电子工业协会(EIA)推荐的RS-232-C接口标准，这是一个很常用的串行数据传输总线接口标准。早期被用于计算机和终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅在远距离，近距离也采用了该通信方式。在近距离的通信中不采用电话线和MODEM，而是直接进行端到端的连接。
　　RS-232-C标准采用的是9芯或是25芯的D型插头。
　　⑥ARM处理器JTAG接口电路设计介绍
　　JTAG(JointTe stAc tionG roup，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。JTAG是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了TAP(Test Access Port，测试访问接口)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试.标准的JTAG接口是四线:TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入、测试数据输出。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现以各个器件分别测试。JTAG接口还常用于ISP(In System Programmable)功能，如对Flash器件进行编程。
　　⑵以太网交换电路设计介绍
　　以太网交换电路主要是采用五口交换芯片RTL8305SB来实现。RTL8305SB是一个集成了片内存储器，五个MAC层接口，五个物理层(PHY)接口的l0M/l00M自适应的五口交换芯片，该集成芯片具有低功耗，可灵活配置为五口小型办公及家用(SOHO)交换机，家用网关，xDSL路由器及其它智能应用。要实现必要的网络功能，这部分的电路是关键中的关键。

操作系统介绍　　1、Linux春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　Linux是一个诞生于网络，成长于网络且成熟于网络的奇特的操作系统。1991年，芬兰大学生Linus Torvalds萌发开发了一个自由的UNIX操作系统的想法，并将Linux通过Internet进行发布。从此一大批编程人员加入到开发过程中来，Linux逐渐成长起来。Linux一开始要求所有的源代码必须公开，后来转向GPL( GNUG eneral Public Licence)，成为GUN的阵营的主要一员。只要遵守GPL的规定，就可以免费获得复制，因此Linux是一个免费软件。同样，Linux下遵循GPL规定的C， C++， Java等一系列的工具开发包，从功能的角度上看并不亚于商用的开发包，但却可以极大的降低开发成本，这一优势是其它商用操作系统无法比拟的。
　　Linux 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在Linux上找到，Linux的内核比标准的UNIX处理网络协议更加高效，系统的网络吞吐性能更好，这也是Linux网络服务器市场上占据较大的市场分额的重要原因。对于一般的小型的SOHO路由器，Linux的网络技术无疑是其开发运行的最佳选择，Linux完全能对给其提供全方位的网络技术支持。Linux作为互联网的产物，许多关于Linux的文档可以在Internet上下载到。
　　2、uClinux操作系统
　　uclinux是嵌入式Linux的一个分支，在uClinux这个英文单词中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以uclinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的Linux系统”。同标准的Linux相比，由于uClinux自身不支持MMU，多任务的实现就需要技巧了。但是，在uClinux上运行的绝大多数的用户程序并不需要多任务。另外，针对uclinux内核的二进制代码和源代码都是经过了重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使得uClinux的内核同标准的Linux内核相比非常之小，但是它仍保持了Linux操作系统的主要的优点，如稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统支持等。uclinux包含Linux常用的API、小于512K的内核和相关的工具。操作系统所有的代码加起来小于900KB。
　　uClinux简介

uClinux的基本架构

　　在PC机上开发应用程序的用户都会有这样的感觉，PC机有完善的操作系统并提供应用程序接口(API)，开发好的应用程序可以直接在操作系统上运行。虽然嵌入式系统的应用程序完全可以在裸板上运行，但为了使系统具有任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理和中断处理的能力，提供多任务处理，更好的分配系统资源的功能，用户就需要针对自己的硬件平台和实际应用选择适当的嵌入式操作系统(Embedded Operating System，以下简称EOS)。由于本文实例中的硬件平台是以不含MMU (Memory Management Unit，内存管理单)的S3C4510B为核心的，因此采用不带MMU的ARM 微处理器的嵌入式操作系统uclinux。uclinux 是一个完全符合GNUIGPL公约的操作系统，完全开放代码，现在由Line。公司支持维护。uClinux从Linux 2.0(2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作.适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU )的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。uclinux是为了支持没有MMU的处理器而对标准Linux作出的修正。它保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好的运行各种程序提供了保证。在GNU通用公共许可证(GNU GPL)的保证下，运行uClinux操作系统的用户可以使用几乎所有的Linux API函数，不会因为没有MMU而受到影响。由于uClinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux，虽然它的体积很小，uClinux仍然保留了Linux的大多数的优点:稳定、良好的裁剪性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。
　　BootLoader:负责uCLinux内核的启动，它用于初始化系统资源，包括SDRAM。这部分代码用于建立uCLinux内核运行环境和从Flash中装载初始化内核镜象。
　　内核初始化:uCLinux内核的入口点是start kernel() 函数。它初始化内核的其他部分，包括捕获，IRQ通道，调度，设备驱动，标定延迟循环，最重要的是能够fork "init"进程，以启动整个多任务环境。春秋中文社区http://bbs.cqzg
　　系统调用函数/捕获函数:在执行完“init”程序后，内核对程序流不再有直接的控制权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件(例如硬件中断)和为系统调用提供进程。
　　设备驱动 :设备驱动占据了uCLinux内核很大部分。同其他操作系统一样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操作系统提供接口。
　　文件系统 :uCLinux最重要的特性之一就是对多种文件系统的支持。这种特性使得uCLinux很容易地同其他操作系统共存。文件系统的概念使得用户能够查看存储设备上的文件和路径而无须考虑实际物理设备的文件系统类型。ucLinux透明的支持许多不同的文件系统，将各种安装的文件和文件系统以一个完整的虚拟文件系统的形式呈现给用户。uClinux带有一个完整的TCP/IP协议，同时它还支持许多其他网络协议。uclinux对于嵌入式系统来说是一个网络完备的操作系统。
　　3、uClinux开发环境
　　⑴GNU开发套件
　　GNU软件包括C编译器GCC，C ++编译器G++，汇编器AS，链接器LD，二进制转换工具(OBJCOPY，OBJDUMP)，调试工具(GDB.GD BSERVER，KGDB)和基于不同硬件平台的开发库。在GNU GCC支持下用户可以使用流行的C/C++语言开发应用程序，满足生成高效率运行代码、易掌握的编程语言的用户需求，这些工具都是按GPL版权声明发布，任何人可以从网上获取全部的源代码，无需任何费用。关于GNU和公共许可证协议的详细资料，读者可以参看GNU网站的介绍，http://www，gnu.oTgfhDmc.html。GNU开发套件作为通用的Linux开放套件，包括一系列的开发调试工具。GNU开发工具都是采用命令行的方式，用户掌握起来相对比较困难，不如基于Windows系统的开发工具好用，但是GNU工具的复杂性是由于它更贴近编译器和操作系统的底层，并提供了更大的灵活性。一旦学习和掌握了相关工具后，就了解了系统设计的基础知识。运行于Linux操作系统下的自由软件GNU gcc编译器，不仅可以编译Llnux操作系统下运行的应用程序，还可以编译Linux内核本身，甚至可以作交叉编译，编译运行于其它CPU上的程序。所以，在进行嵌入式系统应用程序开发时，这些工具得到了日益广泛的应用。
　　⑵uCIinux的打印终端
　　通常情况下，uClinux的默认终端是串口，内核在启动时所有的信息都打印到串口终端(使用printk函数打印)，同时也可以通过串口终端与系统交互。uClinux在启动时启动了telnetd(远程登录服务)，操作者可以远程登录上系统，从而控制系统的运行。至于是否允许远程登录可以通过烧写romfs文件系统时由用户决定是否启动远程登录服务。
　　⑶交叉编译调试工具
　　支持一种新的处理器，必须具备一些编译，汇编工具，使用这些工具可以形成可运行于这种处理器的二进制文件。对于内核使用的编译工具同应用程序使用的有所不同。

路由器软件系统的设计过程

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