引言

無線路由器是一款基于GPRS/CDMA1X公用移動網(wǎng)絡平臺，通過無線接入Internet或VPDN的網(wǎng)絡設備。它能提供可移動的、低成本的基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸通道。

無線路由器可廣泛應用于金融、保險、電力、監(jiān)控、交通、氣象、水文監(jiān)測等行業(yè)。利用穩(wěn)定的GPRS/CDMA1X無線網(wǎng)絡，無線路由器可以代替部分有線以太網(wǎng)路由器、HUB、有線MODEM，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。在公用移動網(wǎng)絡覆蓋的條件下，原先采用以太網(wǎng)接口，依靠有線以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的各種終端設備，如PC機、工控機、ATM機、POS機、網(wǎng)絡攝像機等，都可以很方便地通過無線路由器接入到GPRS/CDMA1X網(wǎng)絡中，利用移動互聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)服務來進行數(shù)據(jù)通信。

圖1模擬器工作原理示意圖

與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡接入相比，無線路由器設備具有以下優(yōu)點：

·不受線纜的約束，能迅速提供無線TCP/IP服務。

·具有移動性，可以安裝在輪船、火車、汽車等移動載體上。

·靈活可變，根據(jù)需要隨時增減設備。

無線路由器硬件設計

無線路由器由無線通信模塊、以太網(wǎng)接口、嵌入式處理器及存儲器、電源模塊等四部分組成，如圖1所示，它一端通過無線通信模塊經(jīng)天線接入GPRS/CDMA1X網(wǎng)絡，另一端通過以太網(wǎng)接口連接網(wǎng)絡終端設備，如PC、網(wǎng)絡攝像機、多媒體終端等，無線路由器相當于在網(wǎng)絡終端設備和互聯(lián)網(wǎng)之間搭起了一座橋梁。無線通信模塊部分完成接入GPRS/CDMA1X網(wǎng)絡的工作，相當于一部可以撥號上網(wǎng)的移動調(diào)制解調(diào)器。

無線路由器通過無線通信模塊連接GPRS或CDMA1X移動互聯(lián)網(wǎng)絡，通過以太網(wǎng)接口連接內(nèi)部網(wǎng)絡設備或者內(nèi)部局域網(wǎng)。無線路由器具備網(wǎng)絡路由功能，能夠在兩個網(wǎng)絡之間轉發(fā)數(shù)據(jù)。各種終端設備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口被處理器接收，處理器對數(shù)據(jù)進行相應處理后再通過串行口1發(fā)送給無線通信模塊，由它轉發(fā)到GPRS或CDMA網(wǎng)絡中。同理，從無線網(wǎng)絡來的反向數(shù)據(jù)經(jīng)過相反的路徑最終送回網(wǎng)絡終端設備。

無線路由器硬件包括嵌入式處理器、存儲器、無線通信模塊、接口和電源等幾部分，如圖2所示。

圖2無線路由器硬件設計框圖

處理器

無線路由器的嵌入式處理器采用ARM處理器S3C4510B，內(nèi)核為ARM7TDMI，主頻為50MHz，它提供2個UART串行口、1個I2C總線控制器、1個實時時鐘和1個10/100Mbps以太網(wǎng)控制器。

存儲器

FLASH存儲器為1片1M×16位數(shù)據(jù)寬度的HY29LV160，它的容量為16M位（2M字節(jié)），工作電壓為2.7V~3.6V。

SDRAM存儲器為1片16位數(shù)據(jù)寬度的HY57V641620，它的容量為4組×16M位（8M字節(jié)），工作電壓為3.3V。

I2C存儲器為1片AT24C01，它提供了128字節(jié)的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時需要保存的數(shù)據(jù)。

無線通信模塊

采用Wavecom公司生產(chǎn)的GPRS模塊Q2406B或CDMA1X模塊Q2358C，嵌入式處理器通過串行口1與無線通信模塊的相連，模塊通過外接天線與公用移動網(wǎng)絡的蜂窩小區(qū)基站通信，收發(fā)無線數(shù)據(jù)。

對外接口

路由器對外有三個接口：一個SMA座的天線接口，50Ω阻抗；一個RJ45座的10M以太網(wǎng)口接口，連接各種網(wǎng)絡終端設備；一個DB9座的RS232串行口，既可以配置成控制臺接口，用來設置參數(shù)和設備運行監(jiān)控，也可配置成串口數(shù)據(jù)轉換接口，用于將串口數(shù)據(jù)轉換成網(wǎng)口數(shù)據(jù)。

電源

考慮到車載電瓶電壓大都為+12V，為了方便連接汽車的點煙器或車載電瓶，無線路由器電源模塊采用直流電源+12輸入，輸出4V、2.8V、3.3V，分別供給無線通信模塊、S3C4510、FLASH等數(shù)字電路部分。

無線路由器的軟件設計

操作系統(tǒng)軟件

mClinux是一個完全符合GNU/GPL（通用公共許可證）公約的項目和完全開放代碼，它是標準Linux的一個分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護。它專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌放式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。

無線路由器的操作系統(tǒng)軟件采用mClinux，它是基于Linux內(nèi)核公開源代碼的一種嵌入式操作系統(tǒng)。由于無線路由器的硬件電路是針對此應用專門設計的，mClinux并不能直接使用，所以重新修改mClinux操作系統(tǒng)軟件中與硬件電路相關的部分源代碼，使得mClinux操作系統(tǒng)能夠在無線路由器電路板上正常運行，針對mClinux進行的改動主要有：

·ARMS3C4510B和存儲器芯片的初始化程序；

·mClinux內(nèi)核的引導程序bootloader；

·無線路由器各種網(wǎng)絡應用軟件的配置文件；

·針對ARMS3C4510B處理器，選擇合適的編譯工具和參數(shù)選項，重新編譯整個操作系統(tǒng)。

無線路由器支持的網(wǎng)絡協(xié)議

無線路由器支持的網(wǎng)絡協(xié)議示于表1。

表1無線路由器支持的網(wǎng)絡協(xié)議

應用軟件

無線路由器的網(wǎng)絡接口包括有線以太網(wǎng)接口和無線撥號上網(wǎng)接口，無線路由器的作用就是在這兩個接口之間轉發(fā)數(shù)據(jù)，提供靜態(tài)路由功能。TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)代碼已經(jīng)內(nèi)嵌在mClinux操作系統(tǒng)中，在內(nèi)核中設置“IP轉發(fā)”和“IP偽裝”就能實現(xiàn)靜態(tài)路由功能。應用軟件設計主要包括兩個網(wǎng)絡應用程序：PPP應用程序和iptables應用程序。

PPP應用程序

PPP應用程序用來通過無線通信模塊撥號登錄GPRS/CDMA1X移動網(wǎng)絡，登錄過程遵循PPP點到點通信協(xié)議。mClinux操作系統(tǒng)代碼中包含有一個實現(xiàn)PPP協(xié)議的程序pppd，但是需要根據(jù)GPRS/CDMA1X移動網(wǎng)絡通信的要求，修改pppd源代碼中的部分配置參數(shù)，如撥號號碼、登錄用戶名、登錄密碼，就能夠得到需要的PPP應用程序，實現(xiàn)撥號登錄移動網(wǎng)絡。

iptables應用程序

iptables軟件包支持數(shù)據(jù)處理包偽裝和過濾功能，這種功能被稱為網(wǎng)絡過濾器（netfilter）。在無線路由器中我們使用了“IP轉發(fā)”和“IP偽裝”功能。

“IP轉發(fā)”功能：

#echo1》 /proc/sys/net/ipv4/ipforward

“IP偽裝”功能：

#iptables-t nat -A POSTROUTING -o ppp0 -j MASQUERADE

“IP偽裝”的工作原理是：當路由器撥號上網(wǎng)后，它擁有的兩個網(wǎng)絡接口，它倆分別擁有兩個IP地址：

a.撥號網(wǎng)絡接口ppp0是一個動態(tài)的合法公網(wǎng)IP地址，假定為a.b.c.d；

b.以太網(wǎng)口接口eth0是一個固定的私網(wǎng)的IP地址，假定為192.168.1.1

假如以太網(wǎng)口連接的是一個局域網(wǎng)192.168.1.x，通常這個局域網(wǎng)內(nèi)的設備是不能訪問到公網(wǎng)IP的。局域網(wǎng)終端設備（假定它的ip地址為192.168.1.22）將無線路由器以太網(wǎng)口的IP地址192.168.1.1設定為默認網(wǎng)關，當無線路由器收到局域網(wǎng)設備訪問公網(wǎng)的請求數(shù)據(jù)包時，通過上面的“IP轉發(fā)”命令對其進行轉發(fā)，再通過的“IP偽裝”命令對其進行改寫，將數(shù)據(jù)包的源地址192.168.1.22替換為自己的合法IP地址a.b.c.d，將源端口號port1換成一個新的端口號port2，并且對該過程進行記錄。

當無線路由器收到Internet主機的響應包時，如果目的端口號正是先前改動后的端口號port2，則再對該包進行反向改寫，將響應包的目的IP（a.b.c.d）及目的端口號（port2）替換為原來記錄的局域網(wǎng)設備的IP地址192.168.1.22和端口號port1，然后再發(fā)送給局域網(wǎng)設備。

將私網(wǎng)地址轉化為公網(wǎng)地址，是由存儲在基于iptable的無線路由器上的數(shù)據(jù)庫完成的。無線路由器的iptable軟件維護這個數(shù)據(jù)庫，因此它知道如何進行“逆轉換”，所以從公網(wǎng)返回的數(shù)據(jù)就能正確的送到源訪問設備。

終端設備接入無線網(wǎng)絡方式

無線路由器對終端設備提供兩個接口，分別是以太接口和無線ppp接口。無線路由器中的路由軟件將來自以太口的有線網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)自動轉發(fā)到GPRS/CDMA網(wǎng)絡，或者接收來自GPRS/CDMA網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并轉發(fā)給以太口的有線網(wǎng)絡設備。這種由無線路由器的自動轉發(fā)能力提供了以下三種功能：

·網(wǎng)絡終端設備的數(shù)據(jù)轉發(fā)

網(wǎng)絡終端設備只要通過以太網(wǎng)口連接到無線路由器，并將默認網(wǎng)關設置成無線路由器的IP地址，就可以接入到GPRS/CDMA網(wǎng)絡。終端設備本身的通信軟件無需作任何的改變。

·網(wǎng)絡終端設備的即插即用

無線路由器內(nèi)置DHCP服務器。終端設備只要設置成自動獲取IP地址，通過以太口連接到無線路由器，就可以通過DHCP協(xié)議自動獲取動態(tài)的IP地址、網(wǎng)關地址、子網(wǎng)掩碼、DNS等網(wǎng)絡參數(shù)，然后可以接入到GPRS/CDMA網(wǎng)絡。終端設備本身的通信軟件無需作任何的改變，真正做到了即插即用。

·移動網(wǎng)絡自適應

無線路由器內(nèi)置軟件能自動識別路由器硬件配置的無線通信模塊類型，然后采用不同的撥號參數(shù)，登錄GPRS或者CDMA1X移動網(wǎng)絡。

圖3無線路由器的設備外形圖

結語

有線網(wǎng)絡終端設備可以利用已有的GPRS/CDMA1X網(wǎng)絡，無需鋪設網(wǎng)線便可通過無線路由器完成網(wǎng)絡無線接入。CDMA1X無線路由器設備可在高速公路監(jiān)控、防汛指揮、山區(qū)防火、地質災害等場合作為應急通信手段。在偏遠地區(qū)，島嶼、汽車、三峽游輪、火車等架設通信線路困難或架線不經(jīng)濟的地方，使用GPRS/CDMA1X無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)或者專用VPDN是一種迅速、廉價的解決方法。本設備已經(jīng)應用在太湖流域管理局的太湖水文數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中。

總之，在GPRS/CDMA1X蜂窩網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，無線路由器設備能快速經(jīng)濟地提供無線網(wǎng)絡通信業(yè)務。本文所提供方法實現(xiàn)的無線路由器設備通用性強，能夠高效率地運行。