路由器技术深入剖解

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内容摘要：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。

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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?

　　

　　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?

　　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。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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

　　

　　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。

　　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。