你需要了解的嵌入式Linux平臺(tái)的多協(xié)議路由器的設(shè)計(jì)

引言

隨 著社會(huì)信息化進(jìn)程和互聯(lián)網(wǎng)的飛迅發(fā)展，對(duì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)通常以固定的基礎(chǔ)設(shè)施為支撐，無法滿足人們對(duì)日益 增長(zhǎng)的通信業(yè)務(wù)的要求，一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)——AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)又稱移動(dòng)自組網(wǎng)、多跳網(wǎng)絡(luò)，具備細(xì)網(wǎng)靈活、快捷，不受有線網(wǎng)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)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場(chǎng)合。此 外，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)朝著網(wǎng)絡(luò)互連的方向發(fā)展，Internet的接入是其中一項(xiàng)主要內(nèi)容。

Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)具有自身的特殊性，在組建實(shí)際使用的無線工作網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須充分考慮網(wǎng)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，選擇合適的網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)正朝著大規(guī)模方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)分級(jí)化的趨勢(shì)，以兩級(jí)式的網(wǎng)絡(luò)為代表。在兩級(jí)式網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)淙鐖D1所示。網(wǎng)絡(luò)分為骨干網(wǎng)、子網(wǎng)兩級(jí)。子網(wǎng)級(jí) 中，每個(gè)子網(wǎng)都可以構(gòu)成獨(dú)立的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，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(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中，普通節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的功能外還要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)子網(wǎng)的管理、控制和數(shù)據(jù)交互，是骨干網(wǎng)的核心設(shè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行一定的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)由尋址的功能。

在 分級(jí)式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，多協(xié)議路由器通過和子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)對(duì)子網(wǎng)的管理。子網(wǎng)內(nèi)的通信類似于一般的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；而子網(wǎng)間的通信需要通過子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和骨干網(wǎng)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)子網(wǎng)間的通信以及不同路由器下同構(gòu)/異構(gòu) 子網(wǎng)間的通信。為了實(shí)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(zhuǎn)換。

Internet接入的需求使得分級(jí)式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)必須存在一個(gè)接入點(diǎn)AP（Access Point）。考慮到網(wǎng)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)骨干網(wǎng)路由尋址、協(xié)議轉(zhuǎn)換、Internet接入的AP三大功能。

2 多協(xié)議路由器的設(shè)計(jì)

一 般情況下，Ad Hoc網(wǎng)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(dòng)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(tái)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(tái)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：一部分為核心模式（MCF5272）部分，由微控制器模塊和存儲(chǔ)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(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器模塊分為兩部分：一部分為Flash（由兩片F(xiàn)lash構(gòu)成，共4MB），作為程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)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SDRAM，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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，異步串行控制和收發(fā)模塊用于與多個(gè)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無線連接的同時(shí)，連接多個(gè)子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(shí) 現(xiàn)Internet接入功能。USB接口模塊用作連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制終端，以及實(shí)現(xiàn)路由器對(duì)USB設(shè)備（如USB標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)硬盤，用來存儲(chǔ)重要的路由信息） 的存儲(chǔ)控制。

圖2中的PRU（Packet Radio Unit），在這里相當(dāng)于路由器的輔助處理器，用于對(duì)接收到的無線子網(wǎng)分組進(jìn)行預(yù)處理。

3 多協(xié)議路由器的實(shí)現(xiàn)

3．1 硬件平臺(tái)的建立

使 用嵌入式系統(tǒng)，必須為硬件平臺(tái)選擇一個(gè)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(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Motorola ColdFire 5272（以下簡(jiǎn)稱MCF5272）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(qiáng)的通信 處理能力和較高的性能價(jià)格比，很適合用于中小型網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備。
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