引言

　　對于一般的網絡用戶，他們能知道怎樣使用路由器來上網、玩游戲等就已經感到很滿足了，通常情況下對路由器的深層技術很少去過問研究，但做為興趣廣泛的技術愛好者，無法深入了解真正的技術實現過程以及相關的核心內幕。正是基于此點，筆者憑借自身的知識沉淀，盡最大努力為愛好技術的讀者架設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，剖開其核心內臟。

　　1 什么是路由器？

　　互聯網是依靠路由器連接起來的，路由器是互聯網或者說IP網絡的核心設備。寬帶接入的不斷增長，帶動了路由器的需求不斷增加。

　　路由器究竟是什么樣的技術產物？

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

　　其實就目前而言，嵌入式設備已經不斷深入我們的日常生活方方面面。通俗的講，嵌入式設備是指具有計算機功能，但又不稱為計算機的設備或器材，它幾乎包括了我們周圍的所有電器設備：PDA、手機、機頂盒、汽車、微波爐、電梯、安全系統、自動售貨機、醫療儀器、立體音響、自動取款機等。

　　用較為專業的話來表述的話，嵌入式設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部的程序部分來實現特定功能的嵌入設備。比如8位的單片機、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市場已逐步趨向穩定，32位MPU代表著嵌入式技術的發展方向，正在加速發展。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內核的微處理器在市場上處于絕對的領導地位，因此追蹤ARM技術的發展趨勢顯得尤為重要。

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

　　我們為什么以SOHO路由器為介紹對象呢？什么是SOHO路由器？前很多家庭中有不止一臺電腦，需要上網獲取信息、收發郵件等。這些小型公司和家庭網絡用戶計算機的數目一般不多，網絡結構不復雜。功能和帶寬的要求不高。出于提高網絡性能、共享有限IP地址或節省上網費用等原因，這些用戶迫切需要具有較高性價比的小型路由器。我們把這種小型路由器稱為SOHO路由器。目前市場上已經充斥了大量的這類低端路由器。由于ARM7系列芯片價格便宜，非常適合嵌入式系統使用。目前市場上的SOHO路由器大多采用ARM7系列處理器。不過由于技術的發展，ARM9系列的專用路由芯片的路由器也逐漸普及。

　　2 路由器宏觀介紹

　　我們可以形象的把嵌入式設備的開發簡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，比如我們介紹的開發小型SOHO路由器所使用的ARM7TDMI芯片等硬件環境，它是設備功能實現的硬件基礎，要實現上層的應用肯定離不開最底層硬件的支持。中間層是操作系統，比如我們所選擇的uClinux操作系統，它是銜接硬件部分和應用程序的過渡層，它既可以完成對底層硬件的基本操作，又能為上層應用程序提供運行環境支持。最上層自然就是應用程序層了，它是實現針對性應用的程序代碼部分，比如路由設置等功能程序部分。

　　那對與SOHO路由器來說，它當然也脫離不了這樣的技術框架，它的更為具體的實現過程簡單的匯總的話，莫過于如下內容：

　　首先先要知道SOHO實現的網絡功能，典型路由器應該具備以下功能：

　　支持PPPoE，固定IP上網；

　　DHCP動態主機配置協議；

　　網絡地址轉換（NAT）技術；

　　根據TCP，UDP的端口號（portnumber），IP的（協議號）protocolnumber，對IP地址進行簡單過濾的防火墻；

　　虛擬服務主機/端口映射（PortForwarding）技術；

　　支持一定數量的特殊應用程序；然后針對于上邊的功能要求，相應地要通過硬件和軟件的構造來實現：

　　2.1 硬件方面

　　1、要明確家用小型路由器（一個WAN接口，四個LAN接口）的硬件原理。

　　2、實現硬件電路板設計，完成電路布線設計，并對元件焊接，通過硬件板的調試。

　　2.2 軟件方面

　　1、在分析uClinux內核源代碼的基礎上，對uClinux操作系統的內核裁剪。

　　2、完成BoaWeb服務器的配置，并對CGI腳本進行設計，完成動態網頁的功能。

　　3、對PPPOE的撥號進行配置實現。

　　4、針對Linux內核防火墻部分，運用IPtable工具進行防火墻規則操作。

　　通過如上的基本構造，一個路由器就基本成型了。說起來簡單，但其中包含了很多很多的技術細節，要有大量的實踐經驗才能真正實現。做為門外觀奇的好學讀者，現在肯定有些不耐煩了吧，想要了解更多的更詳細的構造內容吧？那好，現在就可以開始我們真正的技術之旅了。

　　2.3 路由器工作原理

　　a 基本原理

　　要實現網絡中通信節點彼此之間的通信，首先必須給每個節點分配一個唯一的IP地址。路由器應該至少有兩個網絡端口，分別連接LAN或者WAN子網上，每個端口必須具有一個唯一的IP地址，并且要求與所連接IP子網的網絡號相同。不同的端口有不同的網絡號，對應不同的IP子網，這樣各子網中的主機才能通過自己子網的IP地址把要求發出去的IP數據報送到路由器上。

　　當路由器收到一份IP數據報后，首先要對該報文進行判斷，然后根據判斷的結果做進一步的處理。如果數據報是有效或正確的，路由器就根據數據報的目的IP地址轉發該報文：否則就把報文丟棄。如果這個數據報的目的IP地址與路由器直接相連的一個子網上，路由器會通過相應的接口把報文轉發到目的子網上去；否則會把它轉發到下一跳（Hop）路由器。為了完成上述的操作，每臺路由器必須維護一個路由表。把對應不同目的地的最佳路徑存放在路由表中，這就是路由策略（RoutingPolicy）問題。路由表反映網絡的拓撲結構，一般一條表項應該包含數據報的目的IP地址（通常是目的主機所在網絡的地址）、下一跳路由器的地址和相應的網絡接口等，在網絡拓撲發生變化的時候，路由表也應該做相應的變動。所以路由器必須能夠生成并更新路由表。

　　選路機制實際上就是如何查找路由表，通過查詢路由表來決定向哪個方向轉發數據。一般來說，路由器首先搜索匹配的主機地址：如果沒有，再搜索匹配的網絡地址：最后搜索默認路由。一旦查到匹配的表項，路由器就會把數據從相應的接口發送出去。

　　路由器具備了上述各要素后，就可以完成數據轉發任務了。另外，路由器不僅負責對IP包的轉發，還要負責與別的路由器進行聯絡，共同確定互聯網的路由選擇和路由表的更新維護。

　　b SOHO路由器原理

　　當內部外算機部要計外外與Internet網絡進行通信時，各內部間通過私有IP地址進行通信的計算機必須把私有IP地址轉換成合法IP。這種網絡地址轉換技術稱為NAT（NetworkAddressTranslation，網絡地址轉換）。在一個實際的私有網絡中，NAT功能通常內建在路由器、防火墻或獨立的NAT設備之上，網絡中的主機將這些設備作為自己的默認網關。通過這樣的配置，每一臺內部主機發送往Internet的數據報就會送到具有NAT功能的設備中進行轉換。NAT是SOHO路由器的必備功能，它是為解決IPv4地址不夠分配的矛盾而產生的一個簡單高效的解決方案。它能將任何兩個地址域的地址進行轉換，使私有網絡中多臺主機共享一個合法IP地址訪問Internet。

　　嵌入式路由器硬件系統介紹1、硬件系統總體結構硬件結構是非常重要的部分，因為我們拆開一個路由器后首先看到的、所能看到的也就是硬件結構，我們就舉例簡單介紹一下硬件設計的各個部位的細節內容。

　　為了宏觀查看，我們給出交換式寬帶路由器的硬件設計實例圖一張。圖中主要分為兩部分：

　　ARM4510B部分和交換芯片RTL8305部分，前者主要見上半圖，后者為下半圖。還有電源及各自的復位電路。

　　ARM4510B部分中，中央處理芯片為帶有網絡接口的S3C4510B--16/32位RISC微控制器，根據嵌入式操作系統的運行需要，擴展了SDRAM存儲器和Flash存儲器。SDRAM存儲器由兩片4X1MX16位的HY57V641620HGT組成，作為嵌入式操作系統內核及應該程序運行的內存空間。Flash存儲器由一片1MX16位的SS139VF160組成，作為內核映像的存儲，并在嵌入式操作系統啟動時加載系統內核及程序。根據調試程序及燒寫Flash存儲器的需要，引出JTAG接口。根據顯示調試和運行信息的需要，提供了RS232接口。

　　交換芯片RTL8305部分中，提供4個LAN口（PORTO--PORT3）通過一四口的網絡隔離變壓器連接一個四口RJ45口，每個口可連接到10/10013aseT以太網，各端口之間有交換功能：還有一個WAN接口（CPORT4）通過一單口的隔離變壓器連接RJ45口。根據顯示連接速度、狀態和電源等需要，接出LED燈進行顯示。根據交換芯片的管理需要，提供一串行EEPROM24C01電路接口。根據交換芯片的主電源為2.5V.提供一個3.3V到2.5V的轉換器。

　　中央處理芯片通過MR（獨立媒體接口）接口與交換芯片RTL8035SB的PORT4的Mil接口相聯，將交換芯片的PORT4配置為物理層接收器。

　　當各部分路設外外計圖焊進外完外連外成外后外，外形外成外硬外件外外接外外，外外而外外接外之外后外，外就外可外以外作電為開發用的實驗硬件板了。下面就簡要介紹一下個硬件電路部分。

　　3 硬件系統的簡要設計介紹

　　⑴ARM處理器系統設計介紹

　　①S304510B概述

　　Samsung公司的S34510B是基于以太網應用系統的高性價比的16/32位RISC微控制器，內含一個由ARM公司設計的16/32位的ARM7TDMIRISC處理器核。ARM7TDMI為低功耗，高性能的16/32位核。

　　除了ARM7TDMI外，該芯片還有一些片內外圍功能模塊，主要為：內部RAM（8Kbyteunifiedcache/SRAM），I2C接口電路（I2Cinterface）、以太網控件器（Ethernetcontroller），HDLC，GDMA、串口（UART），時鐘（Timers）、可編程1/O口（ProgrammableI/Oports）及中斷控件器（Interruptcontroller）等。

　　S3C4510B結構框圖所示。在實際運行過程中最主要用到的部分為：以太網接口及串口部分，前者用于收發以太包，后者主要作為操作系統調試接口。

　　②ARM處理器系統

　　電源電路和復位電路主要是實現供電和復位功能，電路部分不做詳細講解，有深入研究需要的愛好者可以查看相關的電子相關參考資料進行深入學習。為使文章通俗易懂，以下各電路部分也是做一宏觀介紹，細節部分包括電路布線等不再深入講解。

　　③ARM處理器與Flash存儲器接口電路

　　讀者只要知道這部分的電路連接是為實現能在Flash存儲器編寫程序即可。

　　④ARM處理器與SDRAM接口電路設計介紹

　　與Flash存儲器相比，SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但其存儲速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫屬性。因此SDRAM在系統中主要用于程序的運于空間、數據及堆棧。當系統啟動時，CPU首先從復位地址0x0片讀取啟動代碼，在完成系統的初始化后，程序代碼調入SDRAM中運行，以提高系統的運行速度。

　　SDRAM具有單位空間存儲量大和價格便宜的特點，廣泛用于各種嵌入式系統中。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為了避免數據丟失，必須定時刷新（充電）。因此，在系統中使用SDRAM，就要求微處理器有刷新的控制邏輯或者在系統中另外加刷新控制邏輯電路。S3C4510B在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可以方便的與SDRAM接口。

　　⑤ARM處理器串行接口電路設計介紹

　　幾乎所有的微控件器、PC都提供串行接口，使用美國電子工業協會（EIA）推薦的RS-232-C接口標準，這是一個很常用的串行數據傳輸總線接口標準。早期被用于計算機和終端通過電話線和MODEM進行遠距離的數據傳輸，隨著微型計算機和微控制器的發展，不僅在遠距離，近距離也采用了該通信方式。在近距離的通信中不采用電話線和MODEM，而是直接進行端到端的連接。

　　RS-232-C標準采用的是9芯或是25芯的D型插頭。

　　⑥ARM處理器JTAG接口電路設計介紹

　　JTAG（JointTestActionGroup，聯合測試行動小組）是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及系統進行仿真、調試。JTAG是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了TAP（TestAccessPort，測試訪問接口），通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試。標準的JTAG接口是四線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入、測試數據輸出。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現以各個器件分別測試。JTAG接口還常用于ISP（InSystemProgrammable）功能，如對Flash器件進行編程。

　　⑵以太網交換電路設計介紹

　　以太網交換電路主要是采用五口交換芯片RTL8305SB來實現。RTL8305SB是一個集成了片內存儲器，五個MAC層接口，五個物理層（PHY）接口的l0M/l00M自適應的五口交換芯片，該集成芯片具有低功耗，可靈活配置為五口小型辦公及家用（SOHO）交換機，家用網關，xDSL路由器及其它智能應用。要實現必要的網絡功能，這部分的電路是關鍵中的關鍵。

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