中山學院嵌入式實驗室_在嵌入式Linux中實現(xiàn)802.11b無線網(wǎng)關

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中山學院嵌入式實驗室_在嵌入式Linux中實現(xiàn)802.11b無線網(wǎng)關,   

構成有線網(wǎng)絡的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜；但有線網(wǎng)絡在某些場合要受到布線的限制，特別是當要把相隔較遠的節(jié)點連接起來時，敷設專用通信線路的布線施工難度大、費用高、耗時長，對正在迅速擴大的連網(wǎng)需求形成了瓶頸。無線局域網(wǎng)的出現(xiàn)克服了上述缺點，因此無線局域網(wǎng)發(fā)展比較迅速�；�于802.11b的產(chǎn)品已成為應用主流。

這些產(chǎn)品使用的是2.4GHz頻段，能夠在短距離內(nèi)實現(xiàn)11Mb/s的接入速率，每個接入點可以同時支持多個用戶的接入。而無線網(wǎng)關作為連接無線終端與有線網(wǎng)絡之間的橋梁，是構成無限局域網(wǎng)的重要組成部分。作者重點要探討的就是如何在嵌入式Linux系統(tǒng)上實現(xiàn)無線網(wǎng)關的功能。
　　
1嵌入式Linux的基本原理
嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，適于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)由于硬件的先天限制，只具有極稀少的硬件資源，通常不具有磁盤而用小容量的DiskonChip或DiskonModule等來代替。
　
Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)是完全可行的。它能處理嵌入式任務和用戶界面；將Linux看作是連續(xù)的統(tǒng)一體，從一個具有內(nèi)存管理、任務切換和時間服務及其他的分拆的微內(nèi)核到完整的服務器，支持所有的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務。Linux作為嵌入式系統(tǒng)，對許多CPU和硬件平臺具有易移植、穩(wěn)定、功能強大、易開發(fā)的優(yōu)點。Linux作為一種可裁減的軟件操作系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入式設備的絕佳資源。因為Linux的源代碼公開，易于定制，提供完成嵌入式功能的基本內(nèi)核和所需要的用戶界面。
　　
一個小型的嵌入式Linux系統(tǒng)需要三個基本要素：引導工具、Linux微內(nèi)核（內(nèi)存管理、進程管理和事務處理）和初始化進程。如果要它成為完整的操作系統(tǒng)且繼續(xù)保持小型化，還得加上硬件驅動程序、文件系統(tǒng)以及提供所需功能的一個或多個應用程序。
　　
2802.11b無線網(wǎng)關在嵌入式Linux上的實現(xiàn)
由于Linux開始是為臺式機開發(fā)的，加上嵌入式系統(tǒng)硬件資源固有的一些限制，因此，要實現(xiàn)無線網(wǎng)關在嵌入式Linux系統(tǒng)上的應用，就需要對Linux系統(tǒng)進行特別定制，刪除無線網(wǎng)關不需要的部分，真正做到精簡系統(tǒng)，減少成本的目的。
　　
2.1精簡內(nèi)核
Linux內(nèi)核是可以根據(jù)特定的要求進行定制的，我們使用的是2.4.4的內(nèi)核。在/usr／src／Linux目錄下，使用makemenuconfig，去掉內(nèi)核對floppy、cdrom的支持選項；Secondextendedfs（ext2）是實際上的Linux文件系統(tǒng)的標準，所以除了此項，把對其他所有filesystem的支持去掉；去掉內(nèi)核對sound的支持；去掉所有的字符設備（char-acterdevice）等。
　　
在去除的同時，要根據(jù)AP應用軟件及一些特定功能的要求，在內(nèi)核中留下對需要的驅動的支持，具體的有：①無線網(wǎng)關連接無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡，因此要保留對網(wǎng)絡的支持（networksupport），保留對TCP/IPstack的支持，保留對以太網(wǎng)卡如嵌入式最常用的R18139驅動的支持，并且要在內(nèi)核中設置模塊項；②嵌入式系統(tǒng)如果使用的是DiskOnChip，則內(nèi)核中還要選中對它的支持：M-sys-temsdrivers；③在內(nèi)核中保留對特定功能的支持，如要使用PPP（點對點協(xié)議），則編譯的內(nèi)核必須包含對PPP的支持。
　　
配置完成后，重新編譯內(nèi)核，然后修改Linux系統(tǒng)引導器lilo的配置文件并最后以新編譯的核作為啟動內(nèi)核。重啟計算機，若運行一切正常，則精簡內(nèi)核的工作就完成了。
　　
2.2縮小Linux文件系統(tǒng)
嵌入式Linux本身是一種操作系統(tǒng)。它的主要任務是管理計算機上的系統(tǒng)資源，為用戶提供使用計算機及其外部設備的接口。它存在的目的是為了管理所有的硬件資源，并且提供給應用軟件一個合適的操作環(huán)境，因此在對嵌入式Linux系統(tǒng)進行大幅度刪除、縮小的同時也要保留一些基本的命令和目錄。
　　
這些保留的命令和目錄大體可以分為三類。一類是Linux系統(tǒng)啟動所需要的。這類重要的文件有init、getty等，重要的目錄與文件有/etc/rc.d、/etc/inittab等；在啟動時還會調(diào)用目錄/bin及/sbin下的一些命令，若已刪除，可以根據(jù)啟動時的出錯信息進行添加。第二類是用于完成一些系統(tǒng)基本功能的保留命令和目錄，最簡單的如拷貝命令cp，進入和跳出目錄的命令cd，列舉目錄下內(nèi)容的命令ls等，這些命令完成操作系統(tǒng)最基本的功能。另一些命令需要與特定的配置文件或是存放配置文件的目錄相對應，完成相對特殊的功能。

當然，具體要實現(xiàn)什么功能要根據(jù)實際來定，并盡可能保留必要的命令與相應的目錄或是配置文件，達到在完成功能的情況下盡可能少地占用存儲空間。完成上面的裁減工作后，重啟。若Linux能夠正常啟動、運行，表明初步的Linux嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)構架成功。最后一類就是使無線網(wǎng)關能夠正常工作的。無線網(wǎng)關是以運行腳本命令pcmcia將驅動程序中已編譯好的目標文件作為模塊加載到系統(tǒng)中而啟動的，Linux提供了depmod、insmod、rmmod及其他一些命令來保證適當?shù)哪�塊以正確的順序加載，所以系統(tǒng)中必須保證存在這些命令，同時無線網(wǎng)關啟動時還要讀取配置文件。這些配置文件通知無線網(wǎng)關的驅動程序相關參數(shù)的設置，所以配置文件所在的目錄/ect/pcmcia要保留。有了這些以后，無線網(wǎng)關就能正常啟動了。
　　
2.3無線網(wǎng)關功能的實現(xiàn)
如圖1所示，無線網(wǎng)關需要完成的最重要的功能就是：與無線節(jié)點通信、橋接所有的無線節(jié)點、實現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的跨網(wǎng)段連接。

配置Linux的內(nèi)核模塊，用PCMCIACardService的方式驅動PCMCIA，運行“makemodeules”以及“makemodeules_install“來產(chǎn)生和安裝核心模組。由于標準發(fā)行的“Linux內(nèi)核源碼中，橋接功能和封包過濾功能（NetFiIi—ter）不能一起正常工作，因此為了要在同一臺計算機上同時運行橋接功能和IPtables，需要對核心源碼進行修補。

相關補丁可以從http：//bridge．sourceforge．net/上下載。另外，要獲取PCMCIA-CS3.2.1和PRISM2HlostAP的驅動程序包，移植PCMCIA-CS和PRISM2HostAP的驅動程序。完成這一步工作需要具有Linux下編譯程序源碼的簡單知識，主要是交叉編譯器（GCC）的使用。編譯好的模塊＊．o文件放在/lib/modules/2.4.4/misc：下，然后用depmod-a使此模塊成為可加載模塊。模塊用insmod命令加載，用rmmod命令卸載，并可以用lsmod命令查看所有已加載的模塊的狀態(tài)。最后，橋接有線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡，需要Linux下硬件（主要是網(wǎng)卡）配置和網(wǎng)絡配置的一些基本知識。

模塊搭建完畢后進行橋接功能的構建。解開橋接補丁bridge-utils.tar．gz，編譯全部通過并且移植成功后，可以用“ifconfig-a”命令查看所有的網(wǎng)絡接口：lo——本地loopback設備；ethO——第一個以太網(wǎng)卡；ethl——第二個以太網(wǎng)卡；wlan0——無線網(wǎng)卡。用“ifconfig<設備>0.O.0.O”命令改變除了lo設備以外所有網(wǎng)絡接口的工作方式，以迫使系統(tǒng)進入雜亂模式，可以接收所有數(shù)據(jù)包。然后，執(zhí)行“brctladdbrbr0”命令來添加一個名字為br0的橋接設備，再用“bretladdifbr0ethO”和“brctladdifbr0wlan0“把無線端和有線端的接口綁定。接著，用“ifeonfigbr0192.168.2.18up\“\“使橋接設備生效。

內(nèi)核配置時選定GeneraIsetup——->Sysctlsupport，這樣才會在板子的文件系統(tǒng)中/proc/sys/net/ipv4／出現(xiàn)ip_forward文件，然后在應用程序中提供ena程序（加到etc/init．d/rcS中一句/bin/ena-e），將ip_for-ward文件中默認的0改為1，這樣就打通了數(shù)據(jù)轉發(fā)的通道。下面就是要加上iptables，以支持NAT（NetWorkAd—dressTranslation）。從網(wǎng)上下載iptables-1.2.5軟件，在iptables-1.2.5目錄下執(zhí)行make，編譯通過后，將生成的可執(zhí)行文件iptables加到ramdisk里面，然后燒寫到板子上進行配置即可。

iptables對NAT的支持既需要Linux內(nèi)核的支持，還需要iptables命令的設置：

①內(nèi)核編譯選項。在內(nèi)核配置選單中的“Networkingoptions——->“選項下，選中“NetWorkpacketfiltering（replacesipchains）”項，并且在下面的“IP：NetfilterCon—figuration——->”選項中選擇全部選項。

②iptables命令支持
　　#!／bin／bash
　　#打開端口轉發(fā)
　　echo1>/proc/sys/net/ipv4/ip_forward加入轉發(fā)規(guī)則：iptables-tnat-APOS—TROUTING-0ethl-jMASOUERADE。
　　至此，構建無線網(wǎng)關的工作全部完成。

3測試結果
搭建無線網(wǎng)關的測試系統(tǒng)如圖2所示。

將上位機的網(wǎng)關設置為172.17.248.169，用VB6.0在上位機上開發(fā)一個負責監(jiān)聽網(wǎng)絡的應用程序；在無線終端一方編寫一個客戶端程序，負責客戶端數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收顯示，并在無線終端一方添加從網(wǎng)關到上位機的路由。然后，上位機運行ping命令，測試結果如下：
　　#ping192.168.6.100
　　PING192.168.6.100（192.168.6.100）:56databytes
　　64bytesfrom192.168.6.100:icmp_seq=0ttl=255time=1.8ms
　　64bytesfrom192.168.6.100：icmp_seq=1ttl=255time=1.4ms
　　64bytesfrom192.168.6.100：icmp_seq=2ttl=255time=1.4ms
　　64bytesfrom192.168.6.100：icmp_seq=3ttl=255time=1.4ms
　　——-192.168.6.100pingstatistics——-4packetstransmitted，4packetsreceived，0%packetlossround—tripmin/avg/max=1.4/1.5/1.8ms上位機與無線終端通信的測試結果如圖3所示。

結語　　
至此，嵌入式Linux系統(tǒng)上802.11b無線網(wǎng)關的軟件實現(xiàn)工作基本結束。測試結果表明，無線網(wǎng)關的基本功能，即與無線終端通信、橋接無線終端、實現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的跨網(wǎng)段連接已經(jīng)實現(xiàn)。下面將對該無線網(wǎng)關做完善，以便進一步實現(xiàn)該無線網(wǎng)關在EPA（EthernetforPlantAu-tomation）控制網(wǎng)絡中的應用。