基于嵌入式Linux系統的無線路由器設計

劉耀義

摘 要：嵌入式系統技術具有專用性強、系統精簡等優點，具有非常廣闊的應用前景，其中，嵌入式Linux系統在許多領域得到了廣泛的應用。對基于嵌入式Linux系統的無線路由器設計進行了詳細的介紹，提出了一種基于嵌入式Linux系統的無線路由器設計方案。

關鍵詞：Linux；hostapd；DHCP服務器；無線路由器

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.112

近年來，科學技術取得了巨大的進步，計算機及互聯網產業也得到了迅猛的發展，且對我國國民經濟的發展起到了推動作用。其中，嵌入式Linux系統具有性能優異、軟件移植容易以及實時性能、穩定性能、安全性能良好等優點，在許多領域得到了廣泛的應用?；诖耍疚膶谇度胧絃inux系統的無線路由器設計進行介紹。

1 總體設計

Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。它能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網絡協議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網絡為核心的設計思想，是一個性能穩定的多用戶網絡操作系統。實現嵌入式操作系統有2種方法：①采用比較成熟的系統軟件，并適當地進行修改；②根據具體的應用需求，自己編寫系統軟件。第一種方法固然有投入少、開發周期短等優點，但是在一些特殊的應用時，往往要對系統進行大規模的修改與裁減，其工作量十分巨大。而第二種方法可以很好地把握具體應用，其工作量固然不少，但是最后的系統與具體應用可以很好地吻合。寬帶路由器就是這種特殊的應用。

2 Linux系統移植和編譯

Linux作為一個自由軟件，在廣大愛好者的支持下，內核版本不斷更新。新的內核修訂了舊內核的bug，并增加了許多新的特性。如果用戶想要使用這些新特性，或想根據自己的系統度身訂制一個更高效、更穩定的內核，就需要重新編譯內核。Linux分為用戶空間和內核空間，用戶通常接觸到的是用戶空間，通過用戶空間和內核空間的轉換機制訪問內核空間。用戶空間里包含開源的GNUCLibrary庫，不僅提供了操作系統的系統調用接口，還提供了用戶空間應用和內核空間切換的機制。由于內核空間和用戶空間的應用程序使用的地址空間不同，所以只能通過系統調用進入內核。每個用戶空間的進程都使用自

己的虛擬地址空間，而內核則占用單獨的地址空間。

Linux內核可以進一步劃分成3層。最外面是系統調用接口，由于Linux操作系統把所有設備都當作文件看待，所以會有這些基本的功能，比如open、read、write、close等，這些功能都是在該層提供的；接著是內核代碼，即獨立于處理器的內核代碼，這些代碼是所支持的所有處理器體系結構所通用的，包括進程管理、進程通信、文件管理、設備管理、內存管理、網絡協議等；最底層是依賴于處理器的代碼，構成了通常稱為BSP（Board Sup?port Package）的部分，這些代碼僅適用于特定處理器平臺，我們移植的主要工作就是該部分與處理器相關的代碼。

3 hostapd編譯和設置

hostapd能夠在用戶空間通過守護進程的方式使得無線網卡切換為master模式，模擬軟件AP（通?？梢哉J為是路由器）功能。Hostapd的實現的AP具有認證服務器的功能，負責控制管理stations（通?？梢哉J為帶無線網卡的PC）的接入和認證。通過開啟hostapd守護進程可以將無線網卡切換為AP/Master模式，通過修改配置文件，可以建立一個不加密的、WEP加密、WPA或WPA2加密的無線網絡，并且可以設置無線網卡的各種參數，包括頻率、信號、beacon包時間間隔，是否發送beacon包，是否響應探針請求等，還可以設置基于物理mac地址過濾條件等。hostapd在Linux操作系統上運行時是一個后臺守護進程，作為后臺組件來控制和管理認證功能。hostapd支持多個前臺程序，比如hostapd_cli，就是一個與hostapd一起的命令行前臺程序。hostapd是一個訪問點以及EAP服務器和RADIUS授權服務器的運行于用戶空間的守護程序。它實現了IEEE802.11接入的管理功能，是IEEE802.1X/WPA/WPA2/EAP的認證服務器，是RADIUS client、EAP server and RADIUS認證服務器。

我們通過使用以前搭建好的交叉編譯環境arm-nonelinux -gnueabi-gcc來實現軟件包的移植和安裝。首先編譯ho?stapd依賴的軟件包libnl庫，使用以下命令進行配置./configure–prefix =$PWD/_install–host=arm-none-linux-gnueabi，然后再執行make，makeinstall即可編譯安裝libnl庫；然后進入hostapd源代碼目錄，執行exportCC=/opt/buildroot/sysroot/usr/bin/armnone -linux-gnueabi -gcc，然后再執行make，makeinstall完成ho?stapd的編譯和安裝。

4 dhcpd編譯和配置

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）是一個TCP/IP網絡協議，傳輸層使用UDP協議工作，主要有2個用途：給內部網絡自動分配IP地址，使網絡環境中的主機動態的獲得IP地址、網關地址、DNS服務器地址等信息，并能夠提升地址的使用率。DHCP協議采用客戶端/服務器模型，主機地址的動態分配任務由網絡主機驅動。當DHCP服務器接收到來自網絡主機申請地址的信息時，才會向網絡主機發送相關的地址配置等信息，以實現網絡主機地址信息的動態配置。Dhcpd是在Linux操作系統上實現DHCP功能的一個開源軟件包。該軟件包具有占用資源少、可靠性高、性能很好的特點，因此特別適合嵌入式系統使用。

我們通過修改Makefile：添加：CROSS_COMPILE=armnone -linux-gnueabi，然后執行make，把生成的dhcpd文件下載到板子上，再執行cpsamples/udhcpd.conf/etc，將dhcpd的配置文件復制到系統根文件系統當中，使用vi編輯器修改/etc/ud?hcpd.conf文件如下：

#The start and end of the IP lease block

start 192.168.1.20

end 192.168.1.25

#The interface that udhcpd will use

interface wlan0

#Examles

opt dns 222.201.130.30222.201.130.33

option subnet 255.255.255.0

opt router 192.168.1.10

option dns 192.168.1.10

option domain local

option lease 864000

然后就可以在Linux系統啟動后使用./dhcpd&命令開啟DHCP功能，我們使用PC測試可以獲取一個192.168.1.20的IP地址。

5 NAT配置

路由器可以分為核心路由器、匯聚路由器以及把個人用戶接入網絡的接入路由器。接入路由器能夠實現網絡數據包的路由、過濾功能，并且采用NAT（Network Address Translation）轉換技術，把局域網內部私用有IP地址轉換成一個合法的公網IP地址，使私有網絡中多臺主機共享一個合法的IP地址訪問因特網。這一項技術極大地解決了IPv4版本協議地址不足的問題。本設計中的無線路由器使用Linux內核的iptables技術實現NAT轉換功能，實現多臺主機接入并訪問因特網。NAT工作原理是：客戶機將NAT主機設置為默認網關，當NAT主機收到客戶機的網絡數據包時，對其進行修改，將源地址替換為自己的地址，將源端口號換成一個新的端口號，并且對該過程進行記錄；當接收到響應數據包時，通過查看以上過程記錄，再將網絡數據包進行修改，將其目的IP地址及端口號替換為原來記錄的客戶機IP地址和端口號，然后再發送給內部網絡的客戶機。

在本無線路由器中，我們進行以下設置：首先打開內核的IP轉發功能，輸入以下命令sudobash–c“echo1>/proc/sys/net/ ipv4/ip_forward”；然后設置實現設置NAT功能，即網絡地址轉換，輸入以下命令sudoiptables–tnat–APOSTROUTING–oeth0–jMASQUERADE。至此，我們就開啟了Linux內核的數據轉發和地址轉換功能，無線路由器的功能就實現了。

6 結束語

綜上所述，嵌入式Linux系統具有性能優異、移植容易、代碼開放、有許多應用軟件支持等優點，在數據網絡、路由器、ATM機、遠程通信、工業控制等領域得到廣泛的應用。本文以嵌入式Linux系統為基礎，設計了一種無線路由器。該無線路由器具有無線路由器的基本功能，且具有良好的穩定性和安全性，對其他無線路由器設計具有重要的參考價值。

參考文獻

[1]張彥.基于嵌入式Linux的小型3G無線路由器設計[J].信息通信，2014（11）.

[2]黃小敏，余翔，宋瑤.嵌入式Linux系統的3G/4G路由器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014（04）.

〔編輯：劉曉芳〕