一種低成本多用途的802.11 MAC測試平臺

張凌飛 王軍 楊永存 劉晨

摘? 要：無線局域網是一種主流的網絡接入技術，研究人員借助計算機仿真技術提出了許多優化方案來提高網絡服務質量，如何對提出的優化方案進行測試和驗證是一個急需解決的難題。本文設計并實現了低成本、多用途的MAC測試平臺，該平臺以Marvell 88F6281和支持softMAC的無線網卡為關鍵硬件組件，由OpenWrt、MAC協議棧和網卡驅動程序組成軟件平臺，并通過移植mac80211和ath9k至該平臺實現了AP和STA功能。由于該平臺外圍接口豐富，可完成目前市面多種接口無線網卡的驗證測試工作。

關鍵詞：WLAN測試平臺;OpenWrt;MAC協議棧;ath9k;softMAC

中圖分類號：TP393? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：Wireless Local Area Network （WLAN）is a kind of popular network access technology.In order to improve the quality of services （QoS），researchers have proposed many optimized schemes with computer simulation technology.How to test and verify the proposed scheme is an urgent issue to be solved.In this paper，a low-cost and multi-purpose MAC Testbed is designed and implemented.The pivotal hardware module of this testbed is composed of Marvell 88F6281 and the softMAC wireless network card.The software testbed is consisted of MAC stack，the wireless network card driver and OpenWrt，thus AP and STA functions are implemented by transplanting the mac80211 and ath9k to the testing platform.Due to the rich peripheral interfaces of this testbed，it can complete the corresponding verification and testing of various interface wireless network cards in the present market.

Keywords：WLAN testing platform;OpenWrt;MAC Stack;ath9k;softMAC

1? ?引言（Introduction）

智能家居、物聯網等眾多設備通過WI-FI技術接入網絡，給無線通信技術和無線通信協議性能提出更高的要求。國內外研究學者已針對問題的關鍵提出各種改進方案，通過計算機仿真技術分析得出優化方向和結論[1]。因計算機仿真環境和工程應用場景具有一定差距，仿真技術驗證的優化方案需經過實際應用環境測試驗證后才具有投入工程應用的價值。

國內外各研究機構已經提出多種測試平臺方案。WARP（Wireless Open Access Research Platform for Network）是一款基于FPGA的WLAN開發平臺，可完成WLAN底層協議（PHY層和MAC層）所有研究工作[2]，但構建測試網絡費用昂貴。搭載OpenWrt和mac80211協議棧的測試平臺，采用開源協議棧mac80211，802.11bgn無線網卡進行定制設計，但研究其他協議則需重新設計測試平臺[3，4]。CalRadio1搭載ARM和DSP處理器，成本相對較低，但采用的802.11b基帶相對于目前協議研究進展較為落后[5]。USRP，FPGA板和主機組成的軟硬件平臺，基于802.11a/g協議軟/硬件代碼，MAC協議棧研發人員使用時需掌握各軟硬件和協議棧架構[6，7]。

針對文獻中測試平臺的不足，設計了一種802.11 MAC測試平臺，可以實現：（1）多用途。通過PCIe或USB接口與網卡進行連接，可根據主流協議更換相應無線網卡而不必重新設計。（2）高兼容性。采用嵌入式Linux系統OpenWrt，以mac80211為MAC協議棧進行改進優化，與網絡協議無縫對接。（3）低成本。采用ARM架構88F6281處理器設計硬件平臺底板，商業無線網卡處理硬件層數據，相對FPGA開發平臺成本低廉，適合多節點組網。

2? ?總體方案設計（Overall program design）

以88F6281處理器為核心硬件作為本文提出的測試平臺硬件解決方案，軟件方案由操作系統、軟件協議棧和網卡驅動程序構成。

圖1為測試平臺總體硬件框圖。硬件部分設計MINI PCIe插槽和USB接口等用于與無線網卡相連，內存容量512MB，采用128MB NAND Flash用于存儲軟件，千兆以太網接口用于與有線以太網相連，UART接口用于調試，GPIO接口預留備用。88F6281是Marvell公司推出的兼容ARMv5TE架構的高性能、高集成度處理器，搭載工作主頻最高可達1.2GHz的Sheeva 88SV131 CPU，D-cache和I-cache均為16kB，二級緩存達到256kB。該處理器集成了豐富的外設，如數據速率高達800MHz的雙通道DDR2 SDRAM控制器、PCI Express x1接口、兩路千兆以太網MAC、兩路SATA 2.0接口、USB2.0控制器、安全引擎、4通道XOR/DMA、NAND Flash控制器、SDIO、TS/Video、UART/SPI/TWSI/I2S和GPIO等接口[8]。支持SPI、UART、NAND、PCIe等接口啟動。88F6281具備的強勁性能和豐富外設被廣泛用于路由、網關、媒體服務器、存儲、網絡和打印服務器等領域。該處理器的PCIe接口、USB接口和千兆以太網MAC等高性能外設更加利于本測試平臺的功能實現，且在多領域都有其成功應用的方案可供參考。

（4）選擇無線網絡驅動模塊。在內核中將mac80211和網卡驅動以模塊的方式進行編譯，生成驅動模塊。

（5）退出make menuconfig并保存配置，通過make指令進行編譯，生成U-boot、內核鏡像和文件系統文件。

（6）測試平臺上電，通過串口啟動，將U-boot寫入NAND Flash。

（7）通過minicom連接串口，測試平臺上電，進入U-boot，通過指令完成內核和文件系統的下載。

（8）測試平臺上電復位，在OpenWrt系統中創建文件共享服務，在PC中添加OpenWrt共享目錄，將編譯后的協議棧軟件拷貝至共享目錄。進入OpenWrt系統中進行協議棧軟件運行測試。

5.2? ?測試條件及結果

通過本測試平臺搭建接入點MAC_testbed，采用多類型STA接入MAC_testbed進行數據傳輸實測試。接入點硬件系統配置為測試平臺和Atheros公司的AR9287無線網卡，軟件采用mac80211協議棧和ath9k驅動程序，在用戶空間采用hostapd完成用戶接入管理。采用7種STA站點同時接入MAC_testbed，分別為測試平臺分別與AR9287和RT5572（USB接口）網卡搭建的STA站點、Intel AC3165（筆記本電腦）、iPhone手機、ZTE手機、Intel 5100AGN（筆記本電腦）和華為手機。各STA與AP連接速率如圖7所示。

從圖7中可以得出，在同一環境中不同無線網卡所連接的速率不同。導致連接速率不同的原因可能有兩方面。（1）協議算法不同。不同廠商設計的網卡底層通信算法和MAC層接入速率選擇算法不同會導致以上結果。（2）設備應用場景。MAC_testbed發送速率大致相同，但是MAC_testbed接收速率相差較大，其中手機設備的接收速率較低與其為便攜式設備低功耗需求有關。

6? ?結論（Conclusion）

本文提出的MAC測試平臺，為廣大MAC層協議棧研究人員提供了一種低成本多功能的方案選擇。該測試平臺已完成OpenWrt和mac80211移植工作，采用測試平臺和AR9287無線網卡搭建AP，采用測試平臺、筆記本和手機為STA接入AP進行數據傳輸測試，測試結果表明AP可同時完成多個STA站點連接管理，STA可以通過AP接入互聯網。采用PCIe和USB接口可更換不同版本無線網卡完成協議棧的研發和測試工作。目前該測試平臺通過移植mac80211實現相應的基本功能，接下來將會以mac80211為基礎實現協議棧的優化工作。

參考文獻（References）

[1] Yujun Cheng，Dong Yang，Huachun Zhou，et al.Adopting IEEE 802.11 MAC for industrial delay-sensitive wireless control and monitoring applications：A survey[J].Computer Networks，2019，157：41-67.

[2] N.T.Huynh，V.Robu，D.Flynn，et al.Design and demonstration of a wireless sensor network platform for substation asset management[J].CIRED-Open Access Proceedings Journal，2017（1）：105-108.

[3] Y.Zhang，C.Jiang，Z.Han，et al.Interference-Aware Coordinated Power Allocation in Autonomous Wi-Fi Environment[J].IEEE Access，2016（4）：3489-3500.

[4] DUTT S，HABIBI D，AHMAD I.A Low Cost Atheros System-on-Chip and OpenWrt Based Testbed for 802.11 WLAN Research：TENCON 2012 IEEE Region 10 Conference，2012[C].Cebu：IEEE，2012：1-4.

[5] R.Manfrin，A.Zanella，M.Zorzi，Functional and Performance Analysis of CalRadio 1 Platform[C].Eighth IEEE International Symposium on Network Computing and Applications，IEEE，2009：300-305.

[6] 吳浩洋，王韜，陳佳華，等.GRT：高性能可定制無線網絡底層軟硬件開放平臺[J].電子科技大學學報，2015，44（01）：123-128.

[7] CHEN Jia-hua，WANG Tao，WU Hao-yang，et al.A High-performance and High-programmability Reconfigurable Wireless Development Platform：International Conference on Field-Programmable Technology （FPT）[C].IEEE，2015：350-353.

[8] Marvell International Ltd..88F6180/88F619x/88F6281 Functional Specifications[EB/OL].http：//www.marvell.com.cn/embedded-processors/kirkwood/assets/FS_88F6180_9x_6281_OpenSource.pdf，2017-12-10.

[9] 張超，余綜.基于DDR3系統互聯的信號完整性設計[J].計算機工程與設計，2013，34（02）：616-622.

[10] 暢藝峰，楊銀堂，柴常春.多芯片組件高速電路布局布線設計及信號傳輸特性仿真[J].西安電子科技大學學報，2005，32（01）：44-47.

[11] OpenWrt Wireless Freedom[EB/OL].https：//downloads.openwrt.org/chaos_calmer/15.05.1/kirkwood/generic，2017-12-10.