簡(jiǎn)介：本文較為詳細(xì)地介紹了一種新型無線VPN路由器的設(shè)計(jì)方法。首先從硬件構(gòu)造上進(jìn)行剖析,提供了詳細(xì)的硬件開發(fā)方案。然后重點(diǎn)闡述了軟件設(shè)計(jì)方法,包括操作系統(tǒng)的移植,實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接的PPP撥號(hào)程序以及實(shí)現(xiàn)VPN 的IPSEC應(yīng)用程序。通過使用本文中所提出的方法,可以很好的滿足很多行業(yè)的應(yīng)用需求。

　　近年來蜂窩式移動(dòng)通信系統(tǒng)在中國(guó)的發(fā)展非常迅速,不僅給用戶帶來了方便快捷的語音通信服務(wù),而且還能提供靈活的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

　　本文提出了一種新型的基于ARM7的嵌入式設(shè)備———GPRS無線VPN路由器的設(shè)計(jì)方法,使得原先使用有線通信系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)終端設(shè)備能夠非常方便地接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)中,利用無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　1 概述

　　1.1 ARM簡(jiǎn)介

　　ARM (Advanced RISC Machines) ,既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字,也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱,還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋, ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司,作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商,本身不直接從事芯片生產(chǎn),靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片,世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核,根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域,加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列, ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel 的Xscale以及StrongARM。它們共同構(gòu)成了當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域的主流微處理器。

　　1.2 GPRS簡(jiǎn)介

　　GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱,是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。與原有的GSM比較, GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì):通過多個(gè)GSM時(shí)隙的復(fù)用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達(dá)115kbps;不同的網(wǎng)絡(luò)用戶共享同一組GPRS信道,但只有當(dāng)某一個(gè)用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)占用信道資源。這樣,通過多用戶的業(yè)務(wù)復(fù)用,更有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源,特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸,很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性特點(diǎn); GPRS計(jì)費(fèi)方式更加靈活,可以支持按數(shù)據(jù)流量來進(jìn)行計(jì)費(fèi);與無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)技術(shù)不同, GPRS能夠隨時(shí)為用戶提供透明的IP通道,可直接訪問Internet中的所有站點(diǎn)和資源;采用信道復(fù)用技術(shù),每一個(gè)GPRS用戶都能夠?qū)崿F(xiàn)永遠(yuǎn)在線。

　　2 硬件部分

　　2.1 設(shè)計(jì)思路

　　無線路由器電路板通過無線通信模塊連接GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),通過以太口連接內(nèi)部終端設(shè)備或者內(nèi)部局域網(wǎng)。無線路由器具備網(wǎng)絡(luò)路由功能,能夠在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。各種終端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過以太口被處理器接收,處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后(例如加/解密)再通過串行口發(fā)送給無線通信模塊,由它轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。同理,反向的數(shù)據(jù)經(jīng)過相反的路徑  終送回終端設(shè)備。

　　2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　嵌入式處理器采用三星公司的S3C4510B,它是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比的16/32位RISC微控制器,內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI RISC處理器核。通過GPRS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要使用GPRS模塊。目前, GPRS模塊一般是指帶有GPRS功能的GSM模塊,模塊通過外接天線與蜂窩小區(qū)基站通信, 收發(fā)無線數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中GPRS 模塊采用Wavecom公司的W ISMO Quik Q2400系列.其他各部分基本功能描述如下:

　　串行接口電路用于S3C4510B與GPRS模塊以及其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行短距離雙向串行通訊; 復(fù)位電路可完成系統(tǒng)上電復(fù)位和在系統(tǒng)工作時(shí)用戶按鍵復(fù)位;電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供工作所需的電壓,包括5V, 3.6V以及3.3V;10MHz有源晶振為系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘; FLASH存儲(chǔ)器可存放已調(diào)試好的應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等;

　　SDRAM存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域,系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于SDRAM存儲(chǔ)器中;10M/100M以太網(wǎng)接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道;I2C存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)少量需要長(zhǎng)期保存的用戶數(shù)據(jù).

　　2.3 硬件連接

　　完整的硬件連接圖如圖1所示。

　　圖1 硬件連接圖

　　3 軟件部分

　　在此無線路由器中使用的操作系統(tǒng)是uClinux,它是專門應(yīng)用于沒有MMU的微控制器上的操作系統(tǒng)。uClinux操作系統(tǒng)中已經(jīng)內(nèi)嵌了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼,在內(nèi)核中設(shè)置“IP轉(zhuǎn)發(fā)”就能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)路由功能。為了實(shí)現(xiàn)撥號(hào)登錄移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及VPN的功能,則需要用到2個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序: PPP應(yīng)用程序和IPSec應(yīng)用程序。圖2是整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)層次圖。

　　圖2軟件結(jié)構(gòu)層次圖

　　3. 1 uClinux 的移植

　　uClinux 的源代碼和開發(fā)工具可以  從http: //www.uclinux.org上  得到。www.uclinux.org上定期為新推出的Linux內(nèi)核推出相應(yīng)的源碼包。  的版本為uClinux-dist-20040408.tar.gz,也可以從該網(wǎng)站上    得到。這個(gè)源碼包里包含了uCL inux -2.6.2、uCL inux-2.4.24、2.0.39、uClibc和已經(jīng)移植到uClinux下的用戶應(yīng)用程序。tar xzvf uClinux-dist-20040408.tar.bz將其解壓縮到/home/uClinux-dist下。另外還需要從www.uclinux.org/pub/uClinux/arm-elf -tools/上  ARM 交叉編譯器: arm-elf-tools-20030314.sh,執(zhí)行以建立uClinux-ARM的交叉編譯環(huán)境。為了使uClinux能順利地在無線路由器上跑起來,需要針對(duì)此硬件平臺(tái)對(duì)uClinux再進(jìn)行修改。在/home/uClinux-dist/linux-2.4.x/include/asm-armnommu/下的hardware.h文件包含了S3C4510B片內(nèi)特殊功能寄存器以及其他相關(guān)硬件信息的定義?？梢栽诖藢?duì)其進(jìn)行修改。另外還可以在make xconfig的時(shí)候?qū)endor選為Samsung,并選中Customize Kernel Settings一項(xiàng),之后可以在出現(xiàn)的System Type中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改,主要包括系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率、FLASH和SDRAM的起始地址及大小等。  終通過編譯即可得到無線路由器運(yùn)行所需要的image.rom和image.ram。