4G无线路由器的设计与实现

摘要

　　路由器是计算机网络中的一个核心设备。随着 4G 网络在全国范围内的普及率越来越高，使用率在不断的增长，研究并实现一种具有低功耗、低价位并且支持 4G 无线接入的路由器方案，具有广阔的应用前景。

　　嵌入式系统目前发展非常迅速，应用也越来越广泛。研究嵌入式技术的实现及推广应用，具有一定的现实意义。在众多嵌入式处理器中，Ralink 的 soc 系列处理器，具有低功耗、高性能等特点，基于的 MIPS 架构是使用十分广泛的一种嵌入式处理器架构，具有非常高的普及率和实用性。嵌入式系统的核心是操作系统。Linux 操作系统以其开源、高性能、稳定、易裁剪等特点有成为嵌入式系统主导操作系统的趋势，应用十分广泛。

　　本课题选择 Ralink 公司的 RT5350 处理器作为系统的处理器。研究并实现硬件平台原理图的设计、Linux 操作系统裁剪和移植；设计并实现路由器的上层应用功能。以实现一种具有低价位、低功耗并支持 4G 无线接入功能的路由器解决方案。本文主要的研究如下：

　　1、路由器硬件原理设计。以 RT5350 芯片处理器为核心，选择 SDRAM、SPI 串行 FLASH、WAN 接口、LAN 接口、4G 无线网络模块、USB 接口，设计连接电路，实现硬件模块原理图的设计。

　　2、研究分析引导程序 Bootloader 的工作原理，根据系统需求特点，实现Bootloader 的设计。使其在系统上电时，完成硬件的初始化，加载并运行操作系统内核和文件系统等工作，同时提供下载烧写操作系统内核和文件系统升级的功能。

　　3、研究 Linux 操作系统在嵌入式系统中的移植原理，根据 RT5350 处理器的特点，分析 Linux 内核与处理器相关的工作内容，并实现 Linux 操作系统在芯片上的移植工作。研究 Linux 系统设备驱动的特点，并设计实现主要外围硬件模块的驱动程序。

　　4、根据系统的硬件模块设计，研究 Linux 下的设备驱动结构，设计 Linux下的 WAN 口、LAN 口、USB 等接口的驱动。

　　5、研究并实现路由器在 Linux 下的应用功能。设计 PPPOE 拨号入网功能、DHCP 服务器功能、webserver 及 4G 拨号入网等功能。研究并设计防火墙、地址屏蔽等安全功能。

　　关键词：4G；路由器；Linux；嵌入式；无线 4G

ABSTRACT

　　Router is a core device of computer network. As the nationwide 4G network penetration is higher and higher, utilization in constant growth, researching and realizing a kind of low power consumption, low price and supporting the 4 g wireless access router scheme, will be broad application prospects.

　　Embedded system is now developing very quickly, more and more widely applied too.Studying the realization of the embedded technology and the popularization and application has certain practical significance.In many embedded processor, the Ralink soc series processor, has the characteristics of low power consumption, high performance, based on the MIPS architecture is a kind of embedded processor architecture is widely used, it has a very high penetration rate and practicability.An embedded system is the core of the operating system.Linux operating system with its open source, high-performance, stable, easy to cut, etc have become the dominant trend of the operating system, embedded system application is very extensive.

　　In this topic, we selected Ralink RT5350 processor as the system processor.Studying and implementing the principle diagram of the hardware platform design, cutting and transplanting the Linux operating system; Designing and implementing the upper application functions of a router.In order to realize a kind of low price, low power consumption and support 4G wireless access router solution.This article main research is as follows:

　　1, The router hardware design principle.RT5350 chip processor as the core, choose SDRAM, SPI serial FLASH, WAN interfaces, LAN interface, 4G wireless network module, USB interface, connection circuit design, to realize the principle diagram of the hardware module design.

　　2, Researching and analysing the working principle of the boot Bootloader according to characteristics of system requirements, realize the design of the Bootloader.In the when the system is powered on, complete the hardware initialization, to load and run the operating system kernel and file system, etc, at the same time provide download burning the function of the operating system kernel and file system upgrade.

　　3, Researching the transplantation on the Linux operating system in embedded system principle, according to the characteristics of the RT5350 processor, content analysis of the Linux kernel processor related work. Studying the characteristics of Linux system device driver, then designing and implementing the drivers of the main peripheral hardware modules.

　　4, According to the system hardware module design, the research under the Linux device driver structure, design under Linux WAN, LAN mouth mouth, such as USB interface driver.

　　5, Studying and achieving the function of the router in the Linux applications.Design PPPOE dial-up access function, the DHCP server function, webserver and 4G dial-up network access, and other functions.Research and design security functions such as firewall, address block.

　　Key words：4G; Router; Linux; Embedded System; Wireless 4G

　　伴随着时代的进步，通讯技术也得到了飞速发展和质的变化，人们对于沟通的欲望日益增长，需要沟通的信息量越来越多，使得人们对互联网的需求变得必不可少，这对互联网的通信能力提出了更高的要求。在互联网通讯中起到网络集线器作用的路由器，其地位与作用变得极为重要，路由器的性能将直接影响整个网络的整体性能，所以在互联网领域，路由器技术一直处于核心地位，它的发展方向与进程，能够直接反映出互联网技术发展的趋势，是一个国家信息技术发展水平的重要指示标准[1]。伴随着 4G 技术越来越成熟，同时，国家对 4G 网络大力普及与推广，支持 4G 网络接入功能的路由器势必具有巨大的市场需求。

　　如果说 3G 通信技术使得人们可以进行无线的高速数据，那么 4G 通信技术就是一种十分高速的无线通信网络，它是一种不需要实物电缆的高速信息通道，这种新型的高速网络可以使广大手机用户通过无线技术实现 3D虚拟现实互联成为可能。4G 通信技术使用了一些新的通信技术，在传统的通信技术的基础上，通过不断提高无线网络通信技术的效率和功能，使得超高速网络成为可能[2]。

　　4G 通信技术相较于传统的通信技术，具有通话质量高，数据通信速度快等优点。4G 通信技术比之传统的通信技术，其最显着的优势在于数据通信速度和通话质量。现有的移动电话消费者对通话质量还是认可的。并且随着技术的发展与技术的更广泛应用，手机的通话质量还在进一步得到提高。数据通讯速度能够达到 100Mbit/s，这是数据通信速度的高速化的一个显着特点，这是一个令人欣喜的进步。高速发展的科学技术令电信行业的成本投资大大降低，今后的 4G 网络通信费用也会随之降低。

　　在 3G 通信技术的发展基础上，4G 通信是无线通信技术的进一步发展，4G技术的开发的目标更加明确，即加快移动设备访问无线网络的速度。

　　人们需要借助多种多样不同种类的4G终端设备才能够充分利用4G通信给人们带来的便利与好处，因此，通信营运商为了提前占据未来通信市场的份额，他们已经开始着手开发 4G 终端设备，例如生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端，以及生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者生产具有高速分组通信功能的小型终端。通过使用这些通信终端，手机用户既可以随时体验高质量的通信，又可以简单方便的实现数据漫游了。

　　1、二层交换技术的交换机与三层网络交换的路由器相结合的方法，这种方法技术比较简单。第二层交换机数据二层交换技术，发展比较成熟，二层交换机属于数据链路层设备，严格限制于桥结构，可以识别数据包中的地址信息，根据MAC 地址进行转发，并且 MAC 地址与对应的端口记录在自己内部地址表中，将第三层中的地址交换功能留给路由器来实现，由路由器实现局域网与企业主干网之间的连接以及虚拟网络之间的数据传输的工作[3]。

　　2、分布式路由技术。它本身所具有的路由功能支持虚拟 LAN，并支持大多数同一虚拟网内或不同虚拟网之间节点的通信，其特点是它使用多层交换机，将第二层的桥与第三层的路由结合在一起，减少了工作组与部门之间所使用的路由器的数目。但它仍然需要使用传统路由器，这是因为多层交换机只能提供高档路由器所能提供的 WAN 连接功能、协议、交通管理及安全功能的子集[4]。

　　3、一种全新的结构。通过边界交换机与路由服务器的有机融合，使得以往的路由器能够实现信息包的路由选取与转发，而以路由服务器为基础的网络能够采取两个互相独立的设施实现以上两个功能：由比较昂贵的路由服务器来明确路由信息，由交换机实现信息包的转发工作。假如交换机无法从地址表中寻找到相关节点的地址，就会对路由服务器作相应的访问操作，这时，路由器会发送准确的节点地址信息，交换机再对相关信息进行备用。

　　小型路由器通常采用第一种较为保守的路由技术，仅支持 internet 网络接入，网络安全性较低，不支持扩展，基本不支持 4G 网络接入功能。

　　为满足日益增长的移动端客户群的上网需求，提高企业服务水平和个人办公便捷性，在满足有线网络的基础上，提供随时能够连入高速 4G 网络的路由器具有很大的实际价值。

busybox 系统模块配置界面

web 界面

PPPOE 协议示意图

DHCP 工作示意图

局域网设置界面截图

DHCP 客户端列表功能

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景及意义
　　　　　　1.1.1 4G 无线网络介绍
　　　　　　1.1.2 目前交换网络中的路由技术
　　　　　　1.1.3 嵌入式系统特点
　　　　1.2 课题主要研究内容及论文结构
　　　　　　1.2.1 课题主要研究内容
　　　　　　1.2.2 论文结构
　　第二章 路由器硬件原理图
　　　　2.1 硬件总体结构
　　　　2.2 硬件模块原理及实现
　　　　　　2.2.1 处理器特点
　　　　　　2.2.2 内存映射图
　　　　　　2.2.3 SDRAM 模块硬件原理
　　　　　　2.2.4 SPI 串行 FLASH 接口原理
　　　　　　2.2.5 以太网硬件接口
　　　　　　2.2.6 4G 无线网卡硬件接口原理
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 路由器软件系统分析及设计
　　　　3.1 交叉编译工具链及其他工具的搭建
　　　　　　3.1.1 交叉工具链
　　　　　　3.1.2安装 LZMA 工具
　　　　3.2 Bootloader 设计
　　　　　　3.2.1 烧写 Bootloader 固件
　　　　　　3.2.2 Bootloader 功能设计
　　　　3.3 嵌入式 Linux 系统移植
　　　　　　3.3.1嵌入式 Linux 系统简介
　　　　　　3.3.2 Linux 操作系统优势
　　　　　　3.3.3 嵌入式操作系统移植原则
　　　　　　3.3.4 Linux 内核选择
　　　　　　3.3.5 Linux 内核移植
　　　　　　3.3.6 内核系统编译
　　　　3.4 设备驱动程序
　　　　　　3.4.1 Linux 驱动程序概述
　　　　　　3.4.2 基于 MTD 设备之上 NVRAM 驱动设计及实现
　　　　　　3.4.3 USB 驱动及 4G 模块驱动移植
　　　　3.5 路由器网络协议栈的分析与实现
　　　　　　3.5.1 网络协议栈简述
　　　　　　3.5.2 协议栈中的网络数据包流程
　　　　　　3.5.3 路由器协议栈的分析设计与实现
　　　　3.6 本章小结
　　第四章 文件系统及路由器应用功能设计及实现
　　　　4.1 文件系统设计
　　　　　　4.1.1 文件系统简介
　　　　　　4.1.2 Linux 文件系统结构与实现
　　　　　　4.1.3 各种文件系统特性与选择
　　　　　　4.1.4 busybox 概述
　　　　　　4.1.5 根文件系统制作
　　　　　　4.1.6 cramfs 概述
　　　　　　4.1.7 构建 cramfs 文件系统
　　　　4.2 WEB 服务器组建
　　　　　　4.2.1 Goahead 嵌入式 WEB 服务器
　　　　　　4.2.2 WEB 页面设计及实现
　　　　　　4.2.3 中英语言切换支持
　　　　4.3 PPPOE 拨号服务实现
　　　　4.4 4G 网卡拨号功能实现
　　　　4.5 DHCP 服务功能设计实现
　　　　4.6 网络安全管理实现
　　　　　　4.6.1 Netfileter 和 Iptables 防火墙简介
　　　　　　4.6.2 IP 及域名地址过滤
　　　　　　4.6.3 MAC 地址过滤
　　　　4.7 本章小结
　　第五章 结束语
　　参考文献
　　发表论文和参加科研情况说明
　　致 谢

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