嵌入式學(xué)習(xí)資料之基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)的

嵌入式學(xué)習(xí)資料之基于ARM7的GPRS無線VPN路由器設(shè)計引言ARM簡介GPRS簡介硬件部分設(shè)計思路硬件設(shè)計硬件連接軟件部分uClinux的移植PPP應(yīng)用程序IPSec應(yīng)用程序連接方法及應(yīng)用總結(jié)近年來蜂窩式移動通信系統(tǒng)在中國的發(fā)展非常迅速,不僅給用戶帶來了方便快捷的語音通信服務(wù),而且還能提供靈活的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

本文提出了一種新型的基于arm7的嵌入式設(shè)備———GPRS無線VPN路由器的設(shè)計方法,使得原先使用有線通信系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)終端設(shè)備能夠非常方便地接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)中,利用無線移動網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。引言ARM(AdvancedRISCMachines),既可以認(rèn)為是一個公司的名字,也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱,還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋,ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司,作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商,本身不直接從事芯片生產(chǎn),靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片,世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核,根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域,加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場。ARM微處理器目前包括下面幾個系列,ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的Xscale以及Strongarm。它們共同構(gòu)成了當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域的主流微處理器。嵌入式學(xué)習(xí)資料之ARM簡介GPRS(GeneralPacketRadioService)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱,是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。與原有的GSM比較,GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢:通過多個GSM時隙的復(fù)用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達(dá)115kbps;不同的網(wǎng)絡(luò)用戶共享同一組GPRS信道,但只有當(dāng)某一個用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才會占用信道資源。這樣,通過多用戶的業(yè)務(wù)復(fù)用,更有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源,特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸,很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性特點(diǎn);GPRS計費(fèi)方式更加靈活,可以支持按數(shù)據(jù)流量來進(jìn)行計費(fèi);與無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)技術(shù)不同,GPRS能夠隨時為用戶提供透明的IP通道,可直接訪問Internet中的所有站點(diǎn)和資源;采用信道復(fù)用技術(shù),每一個GPRS用戶都能夠?qū)崿F(xiàn)永遠(yuǎn)在線。嵌入式學(xué)習(xí)資料之GPRS簡介無線路由器電路板通過無線通信模塊連接GPRS移動網(wǎng)絡(luò),通過以太口連接內(nèi)部終端設(shè)備或者內(nèi)部局域網(wǎng)。無線路由器具備網(wǎng)絡(luò)路由功能,能夠在兩個網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。各種終端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過以太口被處理器接收,處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后(例如加/解密)再通過串行口發(fā)送給無線通信模塊,由它轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。同理,反向的數(shù)據(jù)經(jīng)過相反的路徑最終送回終端設(shè)備。嵌入式學(xué)習(xí)資料之設(shè)計思路嵌入式處理器采用三星公司的S3C4510B,它是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比的16/32位RISC微控制器,內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計的16/32位arm7TDMIRISC處理器核。通過GPRS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要使用GPRS模塊。目前,GPRS模塊一般是指帶有GPRS功能的GSM模塊,模塊通過外接天線與蜂窩小區(qū)基站通信,收發(fā)無線數(shù)據(jù)。本設(shè)計中GPRS模塊采用Wavecom公司的WISMOQuikQ2400系列.其他各部分基本功能描述如下:嵌入式學(xué)習(xí)資料之硬件設(shè)計串行接口電路用于S3C4510B與GPRS模塊以及其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行短距離雙向串行通訊;復(fù)位電路可完成系統(tǒng)上電復(fù)位和在系統(tǒng)工作時用戶按鍵復(fù)位;電源電路為整個系統(tǒng)提供工作所需的電壓,包括5V,3.6V以及3.3V;10MHz有源晶振為系統(tǒng)提供工作時鐘;FLASH存儲器可存放已調(diào)試好的應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等;

SDRAM存儲器作為系統(tǒng)運(yùn)行時的主要區(qū)域,系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于SDRAM存儲器中;10M/100M以太網(wǎng)接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道;I2C存儲器可存儲少量需要長期保存的用戶數(shù)據(jù).嵌入式學(xué)習(xí)資料完整的硬件連接圖如圖1所示嵌入式學(xué)習(xí)資料之硬件連接在此無線路由器中使用的操作系統(tǒng)是uClinux,它是專門應(yīng)用于沒有MMU的微控制器上的操作系統(tǒng)。uClinux操作系統(tǒng)中已經(jīng)內(nèi)嵌了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼,在內(nèi)核中設(shè)置“IP轉(zhuǎn)發(fā)”就能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)路由功能。為了實(shí)現(xiàn)撥號登錄移動網(wǎng)絡(luò)以及VPN的功能,則需要用到2個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序:PPP應(yīng)用程序和IPSec應(yīng)用程序。圖2是整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)層次圖。嵌入式學(xué)習(xí)資料之軟件部分嵌入式學(xué)習(xí)資料圖2軟件結(jié)構(gòu)層次圖嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料之uClinux的移植PPP應(yīng)用程序用用來通過無無線通信模模塊撥號登登錄移動網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),登錄過程遵遵循PPP(Point-to-PointProtocol)通信協(xié)議。。目前uClinux操作系統(tǒng)中中已包含的的多種應(yīng)用用程序中有有一種實(shí)現(xiàn)現(xiàn)PPP協(xié)議的程序序pppd,只需要根據(jù)據(jù)無線移動動網(wǎng)絡(luò)通信信的特征,修改pppd源代碼中的的部分配置置參數(shù),就能夠得到到需要的PPP應(yīng)用程序。。以下是進(jìn)進(jìn)行撥號登登陸移動網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的腳本本程序:

#!/bin/sh

/usr/sbin/pppd\nodetach\connect"/etc/ppp/peers/gprs-connect-chat"\disconnect"/etc/ppp/peers/gprs-disconnect-chat"\/dev/ttyS0\115200\nocrtscts\local\嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料之PPP應(yīng)用程序defaultroute\novj\nobsdcomp\novjccomp\nopcomp\noaccomp\noauth其中用來實(shí)實(shí)現(xiàn)撥號和和掛斷的腳腳本gprs-connect-chat和gprs-disconnect-chat分別如下:

gprs-connect-chat#!/bin/shexec/usr/sbin/chat\TIMEOUT5\ECHOON\ABORT’\nBUSY\r’’\嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料ABORT’\nERROR\r’\ABORT’\nNOANSWER\r’\ABORT’\nNODIALTONE\r’\ABORT’\nRINGING\r\n\r\nRINGING\r’’\SAY"PressCTRL-Ctoclosetheconnectionatanystage!"\SAY"\ndefiningPDPcontext...\n"\""’’+++’\""’’ATH’’\OK’AT+CGDCONT=1,"IP","cmnet"’\OK’ATDT3993331#’’\TIMEOUT10\SAY"\nwaitingforconnect...\n"\CONNECT""\嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料SAY"\nConnected."\SAY"\nIfthefollowingpppnegotiationsfail,\n"\SAY"tryrestartingthephone.\n"gprs-disconnect#!/bin/sh

/usr/sbin/chat\TIMEOUT5\ECHOON\ABORT’NOCARRIER’\ABORT’ERROR’’\ABORT’NODIALTONE’\SAY"\nSendingbreaktothemodem\n"\""’’\d\d+++\d\d’\""’’ATH’’\""OK\SAY"\nPDPcontextdetached\n"嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料IPSec應(yīng)用程序用用來在路由由器上建立立基于IPSec(IPSecurity)協(xié)議的虛擬擬專用網(wǎng)VPN(VirtualPrivateNetwork),IPSec是IETF(InternetEngineerTaskForce)制定的安全全標(biāo)準(zhǔn),它把幾種安安全技術(shù)結(jié)結(jié)合在一起起形成了一一個較為完完整的體系系。它通過過對數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行加密、、認(rèn)證、完完整性檢查查來保證數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡目煽啃?、、私有性和和保密性。。IPSec提供IP層的安全性性,由于所有支支持TCP/IP協(xié)議的主機(jī)機(jī)進(jìn)行通信信時都要經(jīng)經(jīng)過IP層的處理,所以提供了了IP層的安全性性就相當(dāng)于于為整個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供了了安全通信信的保障。。IPSec由認(rèn)證頭AH(AuthenticationHeader)、安全封裝裝載荷ESP(EncapsulatedSecurityPayload)和密鑰管理理協(xié)議組成成。IPSec應(yīng)用程序的的設(shè)計就是是將IPSec協(xié)議用計算算機(jī)語言代代碼來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。uClinux操作系統(tǒng)中中的FreeSWAN應(yīng)用程序就就是用來實(shí)實(shí)現(xiàn)IPSec協(xié)議的一種種公開源代代碼軟件,通過對相關(guān)關(guān)部分的修修改和配置置,就可以在無無線路由器器上運(yùn)行。。最新版本本的uClinux中已經(jīng)包含含了FreeSWAN1.97。嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料之IPSec應(yīng)用程序?qū)reeSWAN的配置主要要是對/etc/ipsec.conf和/etc/ipsec.secrets這兩個文件件進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)的編輯。。/etc/ipsec.conf中包含了對對應(yīng)不同連連接的相關(guān)關(guān)配置信息息,而/etc/ipsec.secrets中則包含了了RSA密鑰對以及及預(yù)共享秘秘密等用來來進(jìn)行認(rèn)證證的密鑰信信息。在無無線路由器器上執(zhí)行#ipsecshowhostkey————left,以獲得該主主機(jī)的RSA公鑰,然后編輯/etc/ipsec.conf,增加了一個個名為“net-net”的新連接。。connnet-netleft=x.x.x.x,填入無線路路由器撥號號所獲得的的對外IP地址leftsubnet=192.168.1.0/24,無線路由器器網(wǎng)關(guān)保護(hù)護(hù)子網(wǎng)的IP地址范圍leftrsasigkey=0s1LgR7/oUM...,將剛才得到到的leftRSA公鑰填入right=x.x.x.x,填入VPN服務(wù)器的對對外IP地址rightsubnet=192.168.5.0/24,另一方保護(hù)護(hù)的子網(wǎng)IP地址范圍rightrsasigkey=0sAQOqH55O...,將VPN服務(wù)器的rightRSA公鑰填入auto=add,啟動時并不不自動建立立連接雙方方重新啟動動ipsec后,該連接就被被Pluto加載,并做好建立立連接的準(zhǔn)準(zhǔn)備了。在在無線路由由器上執(zhí)行行#ipsecauto————upnet-net即可看到一一系列的連連接建立過過程。嵌入式學(xué)習(xí)習(xí)資料無線路由器器對終端設(shè)設(shè)備提供兩兩個接口,分別是以太太網(wǎng)接口和和RS-232串行接口。。無線路由由器中的路路由軟件將將來自設(shè)備備的數(shù)據(jù)自自動轉(zhuǎn)發(fā)到到GPRS網(wǎng)絡(luò),或者接收來來自GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給給設(shè)備。終終端設(shè)備只只要通過以以太網(wǎng)口或或RS-232串行口連接接到無線路路由器,并將默認(rèn)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)置成成無線路由由器的IP地址,就可以接入入到GPRS網(wǎng)絡(luò)。