基于ElanSC520微控制器和Linux操作系統(tǒng)的ADSL網(wǎng)關(guān)研究

作者：鐘曉建，潘貴敦，梁小宇

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容越來越豐富多彩，人們對(duì)傳輸帶寬的需求也逐漸增大，傳統(tǒng)Modem的56K帶寬日益顯得不堪重負(fù)。如何充分有效利用現(xiàn)有的電話線資源來獲得足夠的帶寬呢？ ADSL（不對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路）是一個(gè)很好的答案。ADSL技術(shù)利用電話線上高于話音頻帶的帶寬（4K～1.1MHz），采用離散多音頻調(diào)制技術(shù)來調(diào)制高速數(shù)字信號(hào)（傳統(tǒng)的Modem是用話音頻帶來調(diào)制數(shù)字信號(hào)），下行速率可達(dá)8Mbit/s，上行可達(dá)1.5Mbit/s。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的不斷進(jìn)步，DSL技術(shù)也不斷趨于成熟。ADSL完成A/D、D/A變換，采用FFT/IFFT作DMT和卷積編碼調(diào)制，既實(shí)現(xiàn)了高帶寬利用率，又保證了傳輸?shù)牡驼`碼特性。我們所設(shè)計(jì)的ADSL網(wǎng)關(guān)采用Itex的Apollo 3 ADSL PCI解決方案作Internet的接入部分，另一側(cè)用以太網(wǎng)或無線局域網(wǎng)接多用戶，接口為RJ-45和無線訪問點(diǎn)（AP）天線，提供了靈活方便的組網(wǎng)方式，可以廣泛應(yīng)用于家庭、小型辦公室的接入。在軟件上，我們采用根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來定制Linux內(nèi)核的方法，整合了必要的驅(qū)動(dòng)模塊來作網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)，不僅完成對(duì)ADSL接入模塊、以太網(wǎng)模塊以及無線局域網(wǎng)（WLAN）無線接入點(diǎn)AP模塊的驅(qū)動(dòng)，還提供DHCP、SNMP以及IP防火墻等應(yīng)用功能。

一、 硬件體系結(jié)構(gòu)

1．AMD微控制器總體構(gòu)架

AMD公司推出的ElanSC520功能強(qiáng)大，適用于在嵌入式環(huán)境下用作協(xié)議處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器，兼容PC/AT，支持32位PCI外部總線，而且其傳輸?shù)牡脱舆t和低價(jià)位使其獲得了廣泛的應(yīng)用。ElanSC520集成了一個(gè)工業(yè)級(jí)的X86處理器，從而為與X86結(jié)構(gòu)適配的軟件提供了良好的接口和易移植性，支持包括Linux和Windows在內(nèi)的多種操作系統(tǒng)，內(nèi)建的高速PCI總線接口符合PCI V2.2規(guī)范，可擴(kuò)展1～5個(gè)PCI總線設(shè)備，通過其內(nèi)部的PCI總線仲裁機(jī)制來決定與哪一個(gè)PCI設(shè)備進(jìn)行相互通信。PCI總線的最高傳輸速率可達(dá)132MB/s。在ADSL網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，我們使用了三個(gè)PCI總線設(shè)備，這三個(gè)總線設(shè)備共享PCI總線與ElanSC520進(jìn)行通信。ElanSC520微控制器還帶有高性能的SDRAM和ROM/Flash接口，同時(shí)還有用于配置和調(diào)試的UART串行接口，可以接模擬終端?；贏TM的ADSL網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1：ADSL硬件體系結(jié)構(gòu)

2. ADSL接入設(shè)備

ADSL接入端采用Itex的Apollo 3的PCI解決方案，其芯片組包括線路驅(qū)動(dòng)、模擬前端和數(shù)字收發(fā)器，完成對(duì)電話線路上信號(hào)的發(fā)送和接收濾波、放大、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、FFT/IFFT等數(shù)字信號(hào)處理，并通過PCI總線與ElanSC520進(jìn)行通信。該組芯片將PCI到UTOPIA（標(biāo)準(zhǔn)信元接口）的轉(zhuǎn)換功能集成到DMT收發(fā)器和ATM的成幀器中，將線路接收器集成到模擬前端中。由于控制由主處理器完成，Apollo3不需要額外的存儲(chǔ)設(shè)備和控制器，使板上的控制需求減少到最小，從而大大降低了功耗。該芯片組符合以下協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：G.992.1（G.DMT）， G.992.2（G.LITE）， G.994（G.HS）， T1.413 Issue 2（1998）

其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2：ADSL線路接入端結(jié)構(gòu)

信號(hào)由RJ－11電話線接口進(jìn)來，收端通過接收濾波器送到接收部分進(jìn)行濾波、信號(hào)放大，經(jīng)A/D變換，F(xiàn)FT解調(diào)，送往處理器進(jìn)行處理；而在發(fā)端，由處理器出來的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過IFFT進(jìn)行DMT調(diào)制，再經(jīng)過線路驅(qū)動(dòng)模塊，濾波后發(fā)送到電話線路上進(jìn)行傳輸。

3.以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)采用的是Realtek 的RLT8029AS芯片，與NE2000兼容，符合標(biāo)準(zhǔn)的802.3CSMA/CD協(xié)議規(guī)范。其全雙工特性允許同時(shí)發(fā)送和接收，集成了曼徹斯特編解碼器，可以用于無盤工作站。

4.WLAN_AP接口

為了方便筆記本電腦共享電話線上網(wǎng)，我們?cè)谟脩舳诉€提供了WLAN_AP接口，可以方便的進(jìn)行無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，在這里我們使用了TI公司的PCI1410A橋芯片將PCI信號(hào)轉(zhuǎn)為PCMCIA信號(hào)，接無線網(wǎng)卡，將數(shù)據(jù)包封裝為符合IEEE802.11b協(xié)議的幀進(jìn)行傳輸。

二、 軟件體系結(jié)構(gòu)

由于Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、開放性以及可擴(kuò)展性，使它在嵌入式系統(tǒng)中獲得較為廣泛的應(yīng)用，然而由于Linux允許非搶先式操作，使其不可能成為完全的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，最多只能算是在統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)。在ADSL網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中我們可以將實(shí)時(shí)的信號(hào)賦予很高的優(yōu)先級(jí)，從而保證在整體上公平地進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。

構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)，我們首先考慮到在一個(gè)嵌入式的應(yīng)用環(huán)境下既沒有多少內(nèi)存也沒有多少外存可用，操作系統(tǒng)必須存放在有限的存儲(chǔ)器Flash中，所以我們必須根據(jù)硬件的構(gòu)架來定制我們需要的Linux內(nèi)核。由于ADSL接入端是基于ATM的，我們要為內(nèi)核加上對(duì)PPP over ATM的patch（補(bǔ)?。瑢?duì)于在ATM基礎(chǔ)上支持Internet，實(shí)際上可以歸結(jié)為在ATM上如何支持TCP/IP的問題，即ATM如何承載IP包的問題。在ADSL網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中，要共享ADSL線路接入Internet，遵循的是點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，因此ADSL接入端的驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H上是一個(gè)PPP over ATM的模塊，它將作為內(nèi)核的一個(gè)可載入模塊進(jìn)行進(jìn)程調(diào)用，而以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序和WLAN_AP的驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)和無線介質(zhì)里傳送IP包的，即分別用802.3和802.11的幀格式來封裝IP包，這樣ADSL網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧就如圖3所示。

圖3：ADSL網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧

在圖3中，AAL5是ATM適配層，RFC1483是ATM適配層第五類型的多協(xié)議封裝規(guī)范，描述了在ATM端系統(tǒng)中怎樣在主機(jī)、橋設(shè)備和路由設(shè)備之間承載多協(xié)議業(yè)務(wù)。在ADSL網(wǎng)關(guān)中，根據(jù)ITU的協(xié)議規(guī)范，信號(hào)經(jīng)過一系列變換以ATM信元的形式輸出，因此我們要在ATM適配層的基礎(chǔ)上將信號(hào)變成上層協(xié)議能夠識(shí)別的包，從而決定該包是否轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄或者接收。根據(jù)RFC1483協(xié)議，有兩種多協(xié)議封裝的形式，一種是LLC封裝多協(xié)議，即LLC-SNAP模式，在同一個(gè)VC上承載多協(xié)議，協(xié)議類型包含在LLC頭中，另一種是VC-MUX模式，不同的協(xié)議使用不同的VC，則不需要在協(xié)議頭中指明協(xié)議類型，而具體哪一個(gè)VC承載哪一種協(xié)議則是在鏈路初始化的時(shí)候確定，這種方法降低了鏈路開銷，但在虛擬連接數(shù)量有限的情況下多數(shù)還是使用LLC復(fù)用。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能是通過在Linux內(nèi)核中加載PPPOA模塊來實(shí)現(xiàn)的。

PPP包中包括三種類型的信息：

* Link Control Protocol（LCP） 用來協(xié)商鏈路參數(shù)，包的大小，以及認(rèn)證類型

* Network Control Protocol（NCP） 指明高層協(xié)議的信息，可以是IP、IPX及其控制協(xié)議。

* 數(shù)據(jù)幀

ADSL遵循的協(xié)議是基于ATM的，也就是在物理層是在電話線上調(diào)制高速數(shù)據(jù)信號(hào)，RS編碼，擾碼等一些物理層的協(xié)議，在物理層以上是以ATM信元格式輸出的，而對(duì)于ADSL網(wǎng)關(guān)來說，PPP over ATM Adaption Layer 5（AAL5） RFC2364是用AAL5作為成幀協(xié)議，支持PVC，SVC， PPPOA是ADSL協(xié)議棧的基本部分，它依賴于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用戶端設(shè)備（CPE）封裝PPP包的過程就是以PPPOA協(xié)議來進(jìn)行ADSL環(huán)路和DSLAM上傳輸數(shù)據(jù)的。AAL5的公共部分匯集子層（CPCS）的協(xié)議數(shù)據(jù)單元如圖4所示：

其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5協(xié)議的數(shù)據(jù)部分，最大為216-1個(gè)字節(jié)，這是因?yàn)樵谙旅娴亩止?jié)的LENGTH域中限定的。PAD中有48個(gè)字節(jié)，剛好為一個(gè)信元的數(shù)據(jù)域，由SAR（分段重組）子層生成，CPI域是為了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填補(bǔ)上去的，CRC采用32位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

在我們的ADSL網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，考慮到有限的虛擬連接的數(shù)量，我們采用的是LLC封裝多協(xié)議的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如圖4所示。包括：

* LLC頭：3字節(jié)，其中兩個(gè)字節(jié)指定了一個(gè)目的SAP（0xFE）和源SAP（0xFE），后面是幀類型，為Un-numbered Information=0x03

* Network Layer protocol Identifier（NLPID），這里使用的是PPP，其類型值為0xCF

* PPP協(xié)議標(biāo)識(shí)域?yàn)橐缓投止?jié)

* PPP信息域

* PPP填充域

對(duì)于局域網(wǎng)內(nèi)的用戶通過以太網(wǎng)口和Wireless LAN的天線與網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，其中以太網(wǎng)和Wireless LAN使用不同的網(wǎng)段，網(wǎng)關(guān)要做的事情是看用戶的IP包，如果是發(fā)往本局域網(wǎng)的，那要看是不是同一個(gè)網(wǎng)段的，如果是則丟棄，如果不是則發(fā)向另一網(wǎng)段，也就是說在本地的包業(yè)務(wù)通信中，起了一個(gè)橋接的作用。如果不是發(fā)向本局域網(wǎng)，而是發(fā)向廣域網(wǎng)的包則通過PPP端口轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)其路由功能。以太網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)程序和WLAN驅(qū)動(dòng)程序在Linux中也是作為一個(gè)可載入模塊加載到Linux內(nèi)核中。

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)功能，在應(yīng)用層我們還根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了基于IP地址過濾的防火墻，網(wǎng)絡(luò)地址解析，簡單網(wǎng)絡(luò)管理，動(dòng)態(tài)主機(jī)地址分配，和WEB服務(wù)器，

重新編譯內(nèi)核時(shí)去掉對(duì)硬盤，鼠標(biāo)，顯卡，鍵盤的支持，只保留一個(gè)簡單的文件系統(tǒng)，并放在Flash上，這樣可以在線升級(jí)網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)。內(nèi)核的核心主要是進(jìn)行內(nèi)存管理，啟動(dòng)和中斷。將PPPOA模塊、以太網(wǎng)以及WLAN驅(qū)動(dòng)模塊編譯進(jìn)內(nèi)核，內(nèi)核程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口間采用消息驅(qū)動(dòng)方式，三個(gè)模塊對(duì)應(yīng)三個(gè)消息隊(duì)列和三個(gè)通信例程，每個(gè)例程負(fù)責(zé)監(jiān)聽相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)一個(gè)消息隊(duì)列），當(dāng)接受到消息時(shí)，使進(jìn)程轉(zhuǎn)入處理程序，進(jìn)行內(nèi)存刷新、加工數(shù)據(jù)幀頭、發(fā)送消息等工作，消息隊(duì)列如果沒有消息存在，該進(jìn)程就釋放CPU給其它進(jìn)程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外設(shè)的I/O空間要映射到物理內(nèi)存空間，所以要在TLB中鎖定這些內(nèi)存，在為三個(gè)PCI設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)，要判斷分配的內(nèi)存空間是否與鎖定的內(nèi)存空間重疊。另外我們?cè)谟布O(shè)計(jì)上使用了串口（RS-232）作為調(diào)試接口，可以在shell中測(cè)試系統(tǒng)命令，運(yùn)行應(yīng)用程序，或用GDB對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試，另外shell還用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。配置包括配置全局參數(shù)對(duì)網(wǎng)關(guān)的命令行接口，需要配置撥號(hào)PPP over ATM端口、以太網(wǎng)和WLAN端口。在配置前需要確認(rèn)ADSL線路與DSLAM連接，要有一個(gè)靜態(tài)IP地址或者由ISP負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)IP地址分配。網(wǎng)關(guān)在啟動(dòng)時(shí)，BIOS上電自檢，加載文件系統(tǒng)，引導(dǎo)網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)，ADSL線路進(jìn)行握手操作，初始化鏈路，進(jìn)入SHOWTIME。

三、 進(jìn)一步的工作及展望

ADSL網(wǎng)關(guān)集ADSL modem 和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)于一體，既完成ADSL接入的模擬的調(diào)制解調(diào)工作，又在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了資源共享，簡單網(wǎng)絡(luò)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全方面的功能等，是一種有著廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。

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