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在嵌入式Linux實現(xiàn)802.11b無線網(wǎng)關

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作者:朱斌 陳曉仁 曹曼祥 時間:2007-04-05 來源:單片機及嵌入式系統(tǒng)應用 收藏

構成有線的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜;但有線在某些場合要受到布線的限制,特別是當要把相隔較遠的節(jié)點連接起來時,敷設專用通信線路的布線施工難度大、費用高、耗時長,對正在迅速擴大的連網(wǎng)需求形成了瓶頸。 

局域網(wǎng)的出現(xiàn)克服了上述缺點,因此局域網(wǎng)發(fā)展比較迅速?;?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/802.11b">802.11b的產(chǎn)品已成為應用主流。這些產(chǎn)品使用的是2.4 GHz頻段,能夠在短距離內(nèi)實現(xiàn)11 Mb/s的接入速率,每個接入點可以同時支持多個用戶的接入。而網(wǎng)關作為連接無線終端與有線之間的橋梁,是構成無限局域網(wǎng)的重要組成部分。作者重點要探討的就是如何在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)的功能。

1 嵌入式的基本原理

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁減,適于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)由于硬件的先天限制,只具有極稀少的硬件資源,通常不具有磁盤而用小容量的Disk on ChIP或Disk on Module等來代替。作為嵌入式操作系統(tǒng)是完全可行的。它能處理嵌入式任務和用戶界面

 
;將Linux看作是連續(xù)的統(tǒng)一體,從一個具有內(nèi)存管理、任務切換和時間服務及其他的分拆的微內(nèi)核到完整的服務器,支持所有的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務。Linux作為嵌入式系統(tǒng),對許多CPU和硬件平臺具有易移植、穩(wěn)定、功能強大、易開發(fā)的優(yōu)點。Linux作為一種可裁減的軟件操作系統(tǒng),是發(fā)展未來嵌入式設備的絕佳資源。因為Linux的源代碼公開,易于定制,提供完成嵌入式功能的基本內(nèi)核和所需要的用戶界面。

一個小型的嵌入式Linux系統(tǒng)需要三個基本要素:引導工具、Linux微內(nèi)核(內(nèi)存管理、進程管理和事務處理)和初始化進程。如果要它成為完整的操作系統(tǒng)且繼續(xù)保持小型化,還得加上硬件驅動程序、文件系統(tǒng)以及提供所需功能的一個或多個應用程序。

2 在嵌入式Linux上的實現(xiàn)

由于Linux開始是為臺式機開發(fā)的,加上嵌入式系統(tǒng)硬件資源固有的一些限制,因此,要實現(xiàn)在嵌入式Linux系統(tǒng)上的應用,就需要對Linux系統(tǒng)進行特別定制,刪除無線網(wǎng)關不需要的部分,真正做到精簡系統(tǒng),減少成本的目的。

2.1 精簡內(nèi)核

Linux內(nèi)核是可以根據(jù)特定的要求進行定制的,我們使用的是2.4.4的內(nèi)核。在/usr/src/Linux目錄下,使用make menuconfig,去掉內(nèi)核對floppy、cdrom的支持選項;Second extended fs(ext2)是實際上的Linux文件系統(tǒng)的標準,所以除了此項,把對其他所有filesystem的支持去掉;去掉內(nèi)核對sound的支持;去掉所有的字符設備(char-acter device)等。

在去除的同時,要根據(jù)AP應用軟件及一些特定功能的要求,在內(nèi)核中留下對需要的驅動的支持,具體的有:①無線網(wǎng)關連接無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡,因此要保留對網(wǎng)絡的支持(network support),保留對TCP/IP stack的支持,保留對以太網(wǎng)卡如嵌入式最常用的R18139驅動的支持,并且要在內(nèi)核中設置模塊項;②嵌入式系統(tǒng)如果使用的是Disk On Chip,則內(nèi)核中還要選中對它的支持:M-sys-tems drivers;③在內(nèi)核中保留對特定功能的支持,如要使用PPP(點對點協(xié)議),則編譯的內(nèi)核必須包含對PPP的支持。

配置完成后,重新編譯內(nèi)核,然后修改Linux系統(tǒng)引導器lilo的配置文件并最后以新編譯的核作為啟動內(nèi)核。重啟計算機,若運行一切正常,則精簡內(nèi)核的工作就完成了。

2.2 縮小Linux文件系統(tǒng)

嵌入式Linux本身是一種操作系統(tǒng)。它的主要任務是管理計算機上的系統(tǒng)資源,為用戶提供使用計算機及其外部設備的接口。它存在的目的是為了管理所有的硬件資源,并且提供給應用軟件一個合適的操作環(huán)境,因此在對嵌入式Linux系統(tǒng)進行大幅度刪除、縮小的同時也要保留一些基本的命令和目錄。

這些保留的命令和目錄大體可以分為三類。一類是Linux系統(tǒng)啟動所需要的。這類重要的文件有init、getty等,重要的目錄與文件有/etc/rc.d、/etc/inittab等;在啟動時還會調用目錄/bin及/sbin下的一些命令,若已刪除,可以根據(jù)啟動時的出錯信息進行添加。第二類是用于完成一些系統(tǒng)基本功能的保留命令和目錄,最簡單的如拷貝命令cp,進入和跳出目錄的命令cd,列舉目錄下內(nèi)容的命令ls等,這些命令完成操作系統(tǒng)最基本的功能。另一些命令需要與特定的配置文件或是存放配置文件的目錄相對應,完成相對特殊的功能。當然,具體要實現(xiàn)什么功能要根據(jù)實際來定,并盡可能保留必要的命令與相應的目錄或是配置文件, 由于Linux開始是為臺式機開發(fā)的,加上嵌入式系統(tǒng)硬件資源固有的一些限制,因此,要實現(xiàn)無線網(wǎng)關在嵌入式Linux系統(tǒng)上的應用,就需要對Linux系統(tǒng)進行特別定制,刪除無線網(wǎng)關不需要的部分,真正做到精簡系統(tǒng),減少成本的目的。

2.3 無線網(wǎng)關功能的實現(xiàn)

如圖1所示,無線網(wǎng)關需要完成的最重要的功能就是:與無線節(jié)點通信、橋接所有的無線節(jié)點、實現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的跨網(wǎng)段連接。

無線有線的連接

配置Linux的內(nèi)核模塊,用PCMCIA CardService的方式驅動PCMCIA,運行“make modeules”以及“makemodeules_install"來產(chǎn)生和安裝核心模組。由于標準發(fā)行的“Linux內(nèi)核源碼中, 橋接功能和封包過濾功能(NetFiIi—ter)不能一起正常工作,因此為了要在同一臺計算機上同時運行橋接功能和IPtables,需要對核心源碼進行修補。相關補丁可以從http://bridge.sourceforge.net/上下載。另外,要獲取PCMCIA-CS 3.2.1和PRISM2 HlostAP的驅動程序包,移植PCMCIA-CS和PRISM2 HostAP的驅動程序。完成這一步工作需要具有Linux下編譯程序源碼的簡單知識,主要是交叉編譯器(GCC)的使用。編譯好的模塊*.o文件放在/lib/modules/2.4.4/misc:下,然后用depmod-a使此模塊成為可加載模塊。模塊用insmod命令加載,用rmmod命令卸載,并可以用lsmod命令查看所有已加載的模塊的狀態(tài)。最后,橋接有線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡,需要Linux下硬件(主要是網(wǎng)卡)配置和網(wǎng)絡配置的一些基本知識。

模塊搭建完畢后進行橋接功能的構建。解開橋接補丁bridge-utils.tar.gz,編譯全部通過并且移植成功后,可以用“ifconfig-a”命令查看所有的網(wǎng)絡接口:lo——本地loopback設備;ethO——第一個以太網(wǎng)卡;ethl——第二個以太網(wǎng)卡;wlan0——無線網(wǎng)卡。用“ifconfig<設備>0.O.0.O”命令改變除了lo設備以外所有網(wǎng)絡接口的工作方式,以迫使系統(tǒng)進入雜亂模式,可以接收所有數(shù)據(jù)包。然后,執(zhí)行“brctl addbr br0”命令來添加一個名字為br0的橋接設備,再用“bretl addif br0 ethO”和“brctl addif br0wlan0"把無線端和有線端的接口綁定。接著,用“ifeonfigbr0 192.168.2.18 up'’使橋接設備生效。

內(nèi)核配置時選定GeneraI setup--->[*]Sysctlsupport,這樣才會在板子的文件系統(tǒng)中/proc/sys/net/ipv4/出現(xiàn)ip_forward文件,然后在應用程序中提供ena程序(加到etc/init.d/rcS中一句/bin/ena-e),將ip_for-ward文件中默認的0改為1,這樣就打通了數(shù)據(jù)轉發(fā)的通道。下面就是要加上iptables,以支持NAT(NetWork Ad—dress Translation)。從網(wǎng)上下載iptables-1.2.5軟件,在iptables-1.2.5目錄下執(zhí)行make,編譯通過后,將生成的可執(zhí)行文件iptables加到ramdisk里面,然后燒寫到板子上進行配置即可。

iptables對NAT的支持既需要Linux內(nèi)核的支持,還需要iptables命令的設置:

①內(nèi)核編譯選項。在內(nèi)核配置選單中的“Networkingoptions--->"選項下,選中“NetWork packet filtering(replaces ipchains)”項,并且在下面的“IP:Netfilter Con—figuration--->”選項中選擇全部選項。

②iptables命令支持

  #!/bin/bash

  # 打開端口轉發(fā)

echo 1>/proc/sys/net/ipv4/ip_forward加入轉發(fā)規(guī)則:iptables - t nat - A POS—TROUTING - 0 ethl - j MASOUERADE。

至此,構建無線網(wǎng)關的工作全部完成。

3 測試結果

搭建無線網(wǎng)關的測試系統(tǒng)如圖2所示。

無線網(wǎng)關功能測試

將上位機的網(wǎng)關設置為172.17.248.169,用VB 6.0在上位機上開發(fā)一個負責監(jiān)聽網(wǎng)絡的應用程序;在無線終端一方編寫一個客戶端程序,負責客戶端數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收顯示,并在無線終端一方添加從網(wǎng)關到上位機的路由。然后,上位機運行ping命令,測試結果如下:

  # ping 192.168.6.100

  PING 192.168.6.100 (192.168.6.100):56 data bytes

  64 bytes from 192.168.6.100:icmp_seq=0 ttl="255" time="1".8 ms

  64 bytes from 192.168.6.100:icmp_seq=1 ttl="255" time="1".4 ms

  64 bytes from 192.168.6.100:icmp_seq=2 ttl="255" time="1".4 ms

  64 bytes from 192.168.6.100:icmp_seq=3 ttl="255" time="1".4 ms

   ---192.168.6.100 ping stati

stics---4 packets transmitted,4 packets received,0% packet loss round—trip min/avg/max=1.4/1.5/1.8 ms上位機與無線終端通信的測試結果如圖3所示。

上位機與無線終端通訊測試

結 語

至此,嵌入式Linux系統(tǒng)上無線網(wǎng)關的軟件實現(xiàn)工作基本結束。測試結果表明,無線網(wǎng)關的基本功能,即與無線終端通信、橋接無線終端、實現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的跨網(wǎng)段連接已經(jīng)實現(xiàn)。下面將對該無線網(wǎng)關做完善,以便進一步實現(xiàn)該無線網(wǎng)關在EPA(Ethernet for Plant Au-tomation)控制網(wǎng)絡中的應用。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)


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