拿起手術(shù)刀 深入剖解路由器的“心臟”技術(shù)

寬帶上網(wǎng)已經(jīng)不是什么新鮮事情，人們對(duì)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)器件已經(jīng)不再陌生，比如說常見的路由器。對(duì)于一般的網(wǎng)絡(luò)用戶，他們能知道怎樣使用路由器來上網(wǎng)、玩游戲等就已經(jīng)感到很滿足了，通常情況下對(duì)路由器的深層技術(shù)很少去過問研究，但做為興趣廣泛的技術(shù)愛好者，對(duì)這方面的知識(shí)是非常感興趣的。

但限于各種條件的制約，這些愛好者都非開發(fā)者，很大程度上無法深入了解真正的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程以及相關(guān)的核心內(nèi)幕。正是基于此點(diǎn)，筆者憑借自身的知識(shí)沉淀，盡最大努力為愛好技術(shù)的讀者架設(shè)一坐能通向深層核心的橋梁，為大家揭開路由器的神秘面紗，剖開其核心內(nèi)臟。為使讀者能清晰明白的理解掌握，筆者盡量將專業(yè)的技術(shù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為容易接受的知識(shí)講解，其中可能有不足偏頗之處，還請(qǐng)大家多見諒。

概述

什么是路由器?

互聯(lián)網(wǎng)是依靠路由器連接起來的，路由器是互聯(lián)網(wǎng)或者說IP網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。寬帶接入的不斷增長(zhǎng)，帶動(dòng)了路由器的需求不斷增加。

路由器究竟是什么樣的技術(shù)產(chǎn)物?

談到路由器的開發(fā)，我們就不免要談到“嵌入式”設(shè)備的開發(fā)，沒錯(cuò)，通俗的說，路由器就是一種嵌入式產(chǎn)品。那么究竟什么是嵌入式設(shè)備呢?

其實(shí)就目前而言，嵌入式設(shè)備已經(jīng)不斷深入我們的日常生活方方面面。通俗的講，嵌入式設(shè)備是指具有計(jì)算機(jī)功能，但又不稱為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材，它幾乎包括了我們周圍的所有電器設(shè)備:PDA、手機(jī)、機(jī)頂盒、汽車、微波爐、電梯、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、醫(yī)療儀器、立體音響、自動(dòng)取款機(jī)等。

用較為專業(yè)的話來表述的話，嵌入式設(shè)備就是使用微處理器或微控制器芯片(MCU)加上外圍電路再加上內(nèi)部的程序部分來實(shí)現(xiàn)特定功能的嵌入設(shè)備。比如8位的單片機(jī)、32的ARM以及DSP芯片等都屬于嵌入式核心芯片的范疇。8位MCU市場(chǎng)已逐步趨向穩(wěn)定，32位MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，正在加速發(fā)展。在32位嵌入式微處理器市場(chǎng)上，基于ARM內(nèi)核的微處理器在市場(chǎng)上處于絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)地位，因此追蹤ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)顯得尤為重要。

路由器的開發(fā)通常都是基于32位處理器的，就通常的中低端路由器而言，在開發(fā)的配置上有多種選擇，比如有ARM9核心芯片+Wince操作系統(tǒng)、ARM7核心芯片+uClinux操作系統(tǒng)、DSP芯片+Vxworks操作系統(tǒng)等等各種各樣的選擇。本文針對(duì)常用的SOHO路由器來介紹，選擇ARM7核心芯片+uClinux操作系統(tǒng)開發(fā)模式，以完整形象的實(shí)例為大家清晰講解路由器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程。

我們?yōu)槭裁匆許OHO路由器為介紹對(duì)象呢?什么是SOHO路由器?前很多家庭中有不止一臺(tái)電腦，需要上網(wǎng)獲取信息、收發(fā)郵件等。這些小型公司和家庭網(wǎng)絡(luò)用戶計(jì)算機(jī)的數(shù)目一般不多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜。功能和帶寬的要求不高。出于提高網(wǎng)絡(luò)性能、共享有限IP地址或節(jié)省上網(wǎng)費(fèi)用等原因，這些用戶迫切需要具有較高性價(jià)比的小型路由器。我們把這種小型路由器稱為SOHO路由器。目前市場(chǎng)上已經(jīng)充斥了大量的這類低端路由器.由于ARM7系列芯片價(jià)格便宜，非常適合嵌入式系統(tǒng)使用。目前市場(chǎng)上的SOHO路由器大多采用ARM7系列處理器。不過由于技術(shù)的發(fā)展，ARM9系列的專用路由芯片的路由器也逐漸普及。

路由器宏觀介紹

我們可以形象的把嵌入式設(shè)備的開發(fā)簡(jiǎn)單的理解成三層模式，最底層的是微控制器芯片加外圍器件組成的硬件系統(tǒng)，比如我們介紹的開發(fā)小型SOHO路由器所使用的ARM7TDMI芯片等硬件環(huán)境，它是設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)上層的應(yīng)用肯定離不開最底層硬件的支持。中間層是操作系統(tǒng)，比如我們所選擇的uClinux操作系統(tǒng)，它是銜接硬件部分和應(yīng)用程序的過渡層，它既可以完成對(duì)底層硬件的基本操作，又能為上層應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境支持。最上層自然就是應(yīng)用程序?qū)恿?，它是?shí)現(xiàn)針對(duì)性應(yīng)用的程序代碼部分，比如路由設(shè)置等功能程序部分。

那對(duì)與SOHO路由器來說，它當(dāng)然也脫離不了這樣的技術(shù)框架，它的更為具體的實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單的匯總的話，莫過于如下內(nèi)容：

首先先要知道SOHO實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能，典型路由器應(yīng)該具備以下功能:

支持PPPoE，固定IP上網(wǎng);

DHCP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議;

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)技術(shù);

根據(jù)TCP，UDP的端口號(hào)(port number)，IP 的(協(xié)議號(hào))protocol number，對(duì)IP地址進(jìn)行簡(jiǎn)單過濾的防火墻;

虛擬服務(wù)主機(jī)/端口映射(Port Forwarding)技術(shù);

支持一定數(shù)量的特殊應(yīng)用程序;

然后針對(duì)于上邊的功能要求，相應(yīng)地要通過硬件和軟件的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)：

硬件方面：

1、要明確家用小型路由器(一個(gè)WAN接口，四個(gè)LAN接口)的硬件原理。

2、實(shí)現(xiàn)硬件電路板設(shè)計(jì)，完成電路布線設(shè)計(jì)，并對(duì)元件焊接，通過硬件板的調(diào)試。

軟件方面：

1、在分析 uClinux內(nèi)核源代碼的基礎(chǔ)上，對(duì)uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核裁剪。

2、完成BoaWeb服務(wù)器的配置，并對(duì)CGI腳本進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的功能。

3、對(duì)PPPOE的撥號(hào)進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)。

4、針對(duì)Linux內(nèi)核防火墻部分，運(yùn)用IPtable工具進(jìn)行防火墻規(guī)則操作。

通過如上的基本構(gòu)造，一個(gè)路由器就基本成型了。說起來簡(jiǎn)單，但其中包含了很多很多的技術(shù)細(xì)節(jié)，要有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能真正實(shí)現(xiàn)。做為門外觀奇的好學(xué)讀者，現(xiàn)在肯定有些不耐煩了吧，想要了解更多的更詳細(xì)的構(gòu)造內(nèi)容吧?那好，現(xiàn)在就可以開始我們真正的技術(shù)之旅了。

路由器工作原理

1、基本原理

要實(shí) 現(xiàn) 網(wǎng) 絡(luò)中通信節(jié)點(diǎn)彼此之間的通信，首先必須給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的IP地址。路由器應(yīng)該至少有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，分別連接LAN或者WAN子網(wǎng)上，每個(gè)端口必須具有一個(gè)唯一的IP地址，并且要求與所連接IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)相同。不同的端口有不同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的IP子網(wǎng)，這樣各子網(wǎng)中的主機(jī)才能通過自己子網(wǎng)的IP地址把要求發(fā)出去的IP數(shù)據(jù)報(bào)送到路由器上。

當(dāng)路由器收到一份IP數(shù)據(jù)報(bào)后，首先要對(duì)該報(bào)文進(jìn)行判斷，然后根據(jù)判斷的結(jié)果做進(jìn)一步的處理。如果數(shù)據(jù)報(bào)是有效或正確的，路由器就根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文:否則就把報(bào)文丟棄。如果這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址與路由器直接相連的一個(gè)子網(wǎng)上，路由器會(huì)通過相應(yīng)的接口把報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到目的子網(wǎng)上去;否則會(huì)把它轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳(Hop)路由器。為了完成上述的操作，每臺(tái)路由器必須維護(hù)一個(gè)路由表。把對(duì)應(yīng)不同目的地的最佳路徑存放在路由表中，這就是路由策略(Routing Policy)問題。路由表反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般一條表項(xiàng)應(yīng)該包含數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址(通常是目的主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的地址)、下一跳路由器的地址和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口等，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化的時(shí)候，路由表也應(yīng)該做相應(yīng)的變動(dòng)。所以路由器必須能夠生成并更新路由表。