基于嵌入式Linux平台的多协议路由器设计

引言

随着社会信息化进程和互联网的飞迅发展，对无线环境下提供数据服务的需求变得更加迫切。传统的无线移动网络通常以固定的基础设施为支撑，无法满足人们对日益增长的通信业务的要求，一种新型的无线网络——AdHoc网络应运而生。Ad Hoc网络又称移动自组网、多跳网络，具备细网灵活、快捷，不受有线网络的影响等特点，可广泛应用于军事和救援等无法或不便预先铺设网络设施的场合。此外，Ad Hoc网络朝着网络互连的方向发展，Internet的接入是其中一项主要内容。

Ad Hoc无线网络具有自身的特殊性，在组建实际使用的无线工作网络时，必须充分考虑网络的应用规模和扩展性，以及应用的可靠程度及实时性要求，选择合适的网络拓扑结构。目前Ad Hoc无线网络正朝着大规模方向发展，逐渐呈现分级化的趋势，以两级式的网络为代表。在两级式网络中，拓扑如图1所示。网络分为骨干网、子网两级。子网级中，每个子网都可以构成独立的Ad Hoc网络，可采用不同的路由协议。骨干网由多协议路由器节点和普通节点构成，其中，普通节点主要完成骨干网中的数据和控制信息的分发;而多协议路由器除了具备普通节点的功能外还要负责实现对子网的管理、控制和数据交互，是骨干网的核心设备。

多协议路由器的功能

多协议路由器作为骨干网的一个节点，运行一定的Ad Hoc网络路由协议，实现骨干网络由寻址的功能。

在分级式Ad Hoc网络中，多协议路由器通过和子网网关进行交互实现对子网的管理。子网内的通信类似于一般的Ad Hoc网络;而子网间的通信需要通过子网网关节点和骨干网节点进行中转，可分为两种情况—同一路由器下同构/异构子网间的通信以及不同路由器下同构/异构子网间的通信。为了实现子网间的有效通信，路由器需要完成多种协议之间的相互转换。

Internet接入的需求使得分级式Ad Hoc网络必须存在一个接入点AP(Access Point)。考虑到网络环境，这个功能需要由多协议路由器实现。综上所述，多协议路由器主要实现骨干网路由寻址、协议转换、Internet接入的AP三大功能。

多协议路由器的设计

一般情况下，Ad Hoc网中的路由器为车载式或背负式，所以多协议路由器必须有高集成度和移动性。考虑到以上因素，我们选用了现在最为流行的嵌入式系统设计方法，多协议路由器的硬件平台的微处理器采用Motorola公司的ColdFire嵌入式处理器MCF5272，选择uClinux作为平台的操作系统。这样不仅可以缩短研发周期，而且为软硬件的设计、调试带来极大的方便。

多协议路由器硬件设计如图2中的虚线框图所示。路由器的硬件结构分为两部分：一部分为核心模式(MCF5272)部分，由微控制器模块和存储器模块(包括SDRAM和Flash)组成;另一部分为通信接口模块部分，由异步串行控制和收发模块、以太网控制和收发模块及通用串行总线USB(Universal Serial Bus)接口模块组成。

核心模块部分，微处理器模块主要负责处理数据。存储器模块分为两部分：一部分为Flash(由两片Flash构成，共4MB)，作为程序存储器，用于存储操作系统内核、各种路由协议和路由表常量;另一部分为SDRAM，作为数据存储器，用作操作系统和各种路由程序的运行空间。

通信接口模块中，异步串行控制和收发模块用于与多个骨干网节点无线连接的同时，连接多个子网网关PRU(即分组无线控制单元)。以太网控制和收发模块可以实现Internet接入功能。USB接口模块用作连接网络设备控制终端，以及实现路由器对USB设备(如USB标准的移动硬盘，用来存储重要的路由信息)的存储控制。

图2中的PRU(Packet Radio Unit)，在这里相当于路由器的辅助处理器，用于对接收到的无线子网分组进行预处理。

硬件平台的建立

使用嵌入式系统，必须为硬件平台选择一个适合的微处理器，而选择适用于路由器的微控制器MCU一般要考虑以下几个方面：处理速度、总线宽度、集成度以及性价比。综合考虑了上述几个方面，我们最终选用Motorola ColdFire 5272(以下简称MCF5272)为主控CPU。MCF5272是Motorola推出的一款高集成度的32位ColdFire微处理器，有很强的通信处理能力和较高的性能价格比，很适合用于中小型网络的控制设备。

MCF5272采用ColdFire V2可变长RISC处理器核心和DigitalDNA技术，在66MHz时钟下能达到63Dhrystone2.1MIPS的优良处理能力。其内部SIM 单元(System Integrated Module)集成了丰富的通用模块，如10/100Mbps快速以太网控制器、USB1.1接口等，并且能够与常用外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实现无缝连接。