基于ARM920T和Linux的SOHO路由器设计
0 引言
随着通信技术、网络技术的迅速发展，大量网络设备接入网络，互联网用户数量正以几何级数增长。研究表明，ipv4 地址空间将在2011 年前耗尽，因此ipv4 地址资源非常紧缺。soho 路由器利用私有网络ip 地址有效地缓解目前 ip 地址短缺的危机，为公司、家庭等小型局域网提供高效、廉价的共享上网方案。当前soho 路由器设计，采用
arm7tdmi+μclinux 设计架构，arm7 内核微处理器工作频率为50m 左右，而以太网控制芯片工作频率一般为100m，处理器速度难以满足高速接入网用户要求;μclinux 操作系统，不具有内存保护机制，任何程序都有可能导致内核崩溃，系统稳定性较差。本文采用arm920t 内核微处理器，工作频率200m，足以满足高速接入网用户要求，它具有先进的mmu 体系结构，支持wince、epoc32、linux 操作系统。linux 操作系统，具有内存保护机制和强大的网络控制功能，能防止恶意程序对系统的破坏并实现*滤防火墙，有效地提高了系统的稳定性和安全性。
1 soho 路由器原理
路由器有位于网络中心的核心路由器、连接企业级网络的企业路由器以及把家庭或小单位用户接入网络的 soho 路由器。soho 路由器能够实现自动配置和基本数据包路由、过滤功能。从严格意义上来讲，soho 路由器并不能完全称之为路由器，它只实现部分传统路由器的功能。soho 路由器采用nat（network address translation）转换技术，把局域网内部私用有ip 地址转换成一个合法的公网ip 地址，使私有网络中多台主机共享一个合法的 ip 地址访问因特网。
本文利用 linux 内核支持ip masquerade（ip 伪装）技术实现nat 转换，实现多台主机共享访问因特网。ip masquerade 工作原理：客户机将实现ip masquerade 的linux 机器设置为缺省网关，当ip masquerade 的linux 机器收到客户机的数据包时，对其进行改写，将源地址替换为自己的ip 地址，将源端口号换成一个新的端口号，并且对该过程进行记录;当接收到响应数据包时，如果其端口号正是先前所指定的端口号则再对该数据包进行改写，将其目的ip 地址及目的端口号替换为原来记录的客户机ip 地址和端口号，然后再发送给客户机。
2 系统硬件设计
系统以 s3c2410x 微处理器为核心，外扩存储器、以太网控制器、交换控制器、配以必要的调试接口、电源电路和时钟发生电路构成，硬件结构框图如图1 所示。
（1） 微处理器与存储系统
s3c2410x 是samsung 公司开发的一款低价、低功耗、高性能应用于pda、internet设备的微处理器，工作频率200m，能满足高速处理要求。系统扩展了1 片64mb nandf1ash 芯片和2片sdram 芯片，nand f1ash 芯片中存储bootloader 引导程序和linux 内核，系统上电复位后从中执行初始化代码。
（2） 以太网控制芯片
dm9000 是一款高性价比以太网控制芯片，具有通用处理接口以太网mac 控制器，能与10base-t 的utp3/4/5 和100base-t 的utp5 接口连接，满足高速接入网要求，也支持通过mii 接口与其它mii 接口的收发器互联。
（3） 交换控制芯片
rtl8305s 是***瑞昱公司最新设计的5 端口10/100mbps 高速以太网络交换控制芯片，五个端口分成三个组（x 组，y 组，第五端口），可通过相关引脚灵活配置;集成了5个mac（媒体存取控制器）、5 个实体层收发器、1m sram 和1k mac 地址记忆区，有效地减少查表时间和转储时间，适用于高速局域网交换器;每一个端口均可支持100mbps的100base-tx 高速以太网传输或10mbps 的10base-t 的以太网传输。
（4） 系统实现
s3c2410x 微处理器通过系统总线连接flash和sdram构成存储系统，系统上电后，微处理器从flash 中读取初始化程序，sdram 为程序运行和数据处理和转发提供临时存储空间。以太网控制芯片dm9000，经单端口隔离变压器和rj45 接口与互联网相连。dm9000 通过mii（独立媒体接口）与交换控制芯片rtl8305sc 的port4 口相连，rtl8305sc 经过4 端口隔离变压器和四个rj-45 接口连接局域网集线器，交换机或电脑，进行数据交换或通过微处理器控制与广域网连接。
dm9000 与s3c2410x、rj45 接口电路如图2 所示，dm9000e 芯片的引脚int 与s3c2410x 芯片的外部中断信号eint14 相连，s3c2410x 片选信号ngcs4 和地址线ma2分别连接dm9000的aen 引脚和cmd 引脚。sa6 到sa0 对应地址总线，而sa9 与sa8引脚设置为高电平，sa7 引脚设置为低电平，用来片选dm9000;3c2410x 的noe 引脚连接dm9000 的读引脚ior#，nwe 引脚连接dm9000 的写引脚iow#，并将s3c2410x 数据线md［0..15］与dm9000 的数据线sd［0..15］连接，实现数据传输。将 rtl8305s 第5 端口设定为一个mii 接口与以太网控制芯片dm9000r mii接口相连，rtl8305s 与四端口隔离变压器和rj45 接口与图2 类似。
3 系统软件构建
软件构建主要包括 linux 操作系统移植和nat 技术实现。
3.1 linux 操作系统移植
（1） bootloader 移植
bootloader 是与系统硬件高度相关的初始化代码，担负着初始化硬件和引导操作系统的双重责任。本文使用在嵌入式系统开发中应用最广的引导代码u—boot。移植具体步骤：1 针对目标平台对各配置文件做相应的修改。2 建立相应地配置文件。3 修改u—boot的makefile 文件，在其中加入对目标系统的编译支持，并运行以下命令$make clean、$makesmdk2410-config、$make all 生成目标文件。最后通过jtag 接口将u-boot.bin 文件烧写到flash 的零地址，复位后就可以引导系统。
（2） linux 内核构建、移植与根文件系统实现
1 修改makefile 文件。2 使用make manuconfig 命令来配置内核。3 使用make dep、makezimage 命令对内核进行编译，得到内核压缩镜像文件zimage 件。4 bootloader 引导程序通过以太网接口把linux 内核移到目标系统的flash 上。5 构建根文件系统。
3.2 netfilter 框架分析与nat 技术实现
netfilter 是linux2.4 内核实现数据*滤、数据包处理和nat 功能的框架。它为每种网络协议（ipv4， ipv6 等）定义一套钩子函数（ipv4 有5 个钩子函数），内核中任何模块可以对协议中的钩子函数进行注册与挂接，这些钩子函数在数据包流经协议栈时被调用，注册后的模块可以检查、修改、丢弃数据包及指示netfilter 将数据包传入用户空间队列，进行异步处理。一个数据包按图3 所示的过程通过netfilter 系统。
数据包从左边进入系统，进行ip 校验后，数据包经过第一个钩子函数nf_ip_pre_routing［1］进行处理;然后就进入路由代码，其决定该数据包是需要转发还是发给本机的;若该数据包是发给本机的，则该数据经过钩子函数nf_ip_local_in处理后传递给上层协议;若该数据包应该被转发则它被nf_ip_forward［3］处理;经过发的数据包经过最后一个钩子函数nf_ip_post_routing［4］处理后，再传输到网络上。
本地产生的数据经过钩子函数nf_ip_local_out［5］处理后，进行路由选择处理，然后经过nf_ip_post_routing［4］ 处理以后发送到网络上。netfilter 框架支持多种nat，nat 一般可分为源nat 与目的nat。源nat 在数据包经过nf_ip_post_routing 时修改数据包的源地址，伪装是一个特殊的snat，目的nat在数据包经过f_ip_local_out 或nf_ip_pre—routing 时修改数据包目的地址。
本文利用 iptables 实现ip 伪装、port forward 端口转发、alg。iptables 是一个在linux2.4内核中基于netfilter 框架的数据包选择系统。地址转换会导致许多对nat 敏感的应用协议无法正常工作，而地址转换应用网关（nat alg， application level gateway），对载荷中的ip地址和端口号进行替换，从而实现对该协议的透明中继。iptables 要求数据包流经指定的规则表，其中设定的规则用于实现数据*滤，网络地址转换及数据包处理，从而实现多台主机共享一个合法的ip 地址访问因特网，并实现*滤防火墙。
4 结束语
本文作者创新点：提出了一种基于嵌入式 linux 操作系统的soho 路由器设计方案。与现有设计方案相比，本文采用atm9tdmi+linux 构架设计soho 路由器，能满足高速接入网用户需求，具有更高地系统稳定性和用户安全性。
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1 soho 路由器原理
路由器有位于网络中心的核心路由器、连接企业级网络的企业路由器以及把家庭或小单位用户接入网络的 soho 路由器。soho 路由器能够实现自动配置和基本数据包路由、过滤功能。从严格意义上来讲，soho 路由器并不能完全称之为路由器，它只实现部分传统路由器的功能。soho 路由器采用nat（network address translation）转换技术，把局域网内部私用有ip 地址转换成一个合法的公网ip 地址，使私有网络中多台主机共享一个合法的 ip 地址访问因特网。
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2 系统硬件设计
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（3） 交换控制芯片
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（4） 系统实现
s3c2410x 微处理器通过系统总线连接flash和sdram构成存储系统，系统上电后，微处理器从flash 中读取初始化程序，sdram 为程序运行和数据处理和转发提供临时存储空间。以太网控制芯片dm9000，经单端口隔离变压器和rj45 接口与互联网相连。dm9000 通过mii（独立媒体接口）与交换控制芯片rtl8305sc 的port4 口相连，rtl8305sc 经过4 端口隔离变压器和四个rj-45 接口连接局域网集线器，交换机或电脑，进行数据交换或通过微处理器控制与广域网连接。
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3 系统软件构建
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3.1 linux 操作系统移植
（1） bootloader 移植
bootloader 是与系统硬件高度相关的初始化代码，担负着初始化硬件和引导操作系统的双重责任。本文使用在嵌入式系统开发中应用最广的引导代码u—boot。移植具体步骤：1 针对目标平台对各配置文件做相应的修改。2 建立相应地配置文件。3 修改u—boot的makefile 文件，在其中加入对目标系统的编译支持，并运行以下命令$make clean、$makesmdk2410-config、$make all 生成目标文件。最后通过jtag 接口将u-boot.bin 文件烧写到flash 的零地址，复位后就可以引导系统。
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1 修改makefile 文件。2 使用make manuconfig 命令来配置内核。3 使用make dep、makezimage 命令对内核进行编译，得到内核压缩镜像文件zimage 件。4 bootloader 引导程序通过以太网接口把linux 内核移到目标系统的flash 上。5 构建根文件系统。
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数据包从左边进入系统，进行ip 校验后，数据包经过第一个钩子函数nf_ip_pre_routing［1］进行处理;然后就进入路由代码，其决定该数据包是需要转发还是发给本机的;若该数据包是发给本机的，则该数据经过钩子函数nf_ip_local_in处理后传递给上层协议;若该数据包应该被转发则它被nf_ip_forward［3］处理;经过发的数据包经过最后一个钩子函数nf_ip_post_routing［4］处理后，再传输到网络上。
本地产生的数据经过钩子函数nf_ip_local_out［5］处理后，进行路由选择处理，然后经过nf_ip_post_routing［4］ 处理以后发送到网络上。netfilter 框架支持多种nat，nat 一般可分为源nat 与目的nat。源nat 在数据包经过nf_ip_post_routing 时修改数据包的源地址，伪装是一个特殊的snat，目的nat在数据包经过f_ip_local_out 或nf_ip_pre—routing 时修改数据包目的地址。
本文利用 iptables 实现ip 伪装、port forward 端口转发、alg。iptables 是一个在linux2.4内核中基于netfilter 框架的数据包选择系统。地址转换会导致许多对nat 敏感的应用协议无法正常工作，而地址转换应用网关（nat alg， application level gateway），对载荷中的ip地址和端口号进行替换，从而实现对该协议的透明中继。iptables 要求数据包流经指定的规则表，其中设定的规则用于实现数据*滤，网络地址转换及数据包处理，从而实现多台主机共享一个合法的ip 地址访问因特网，并实现*滤防火墙。
4 结束语
本文作者创新点：提出了一种基于嵌入式 linux 操作系统的soho 路由器设计方案。与现有设计方案相比，本文采用atm9tdmi+linux 构架设计soho 路由器，能满足高速接入网用户需求，具有更高地系统稳定性和用户安全性。
Flash存储器Am29F040结构分析
栅极驱动器是什么？罗姆有哪些产品
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消息称Nokia6.3或于2020年底前上市
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组建电波暗室应考虑哪些因素
基于STM32F207介绍4种不同方式实现的延时函数
Phorism with 12V
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