在嵌入式Linux实现802.11b无线网关

构成有线网络的传输媒介主要依赖铜缆或光缆；但有线网络在某些场合要受到布线的限制，特别是当要把相隔较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，对正在迅速扩大的连网需求形成了瓶颈。无线局域网的出现克服了上述缺点，因此无线局域网发展比较迅速。基于802.11b的产品已成为应用主流。这些产品使用的是2.4 GHz频段，能够在短距离内实现11 Mb/s的接入速率，每个接入点可以同时支持多个用户的接入。而无线网关作为连接无线终端与有线网络之间的桥梁，是构成无限局域网的重要组成部分。作者重点要探讨的就是如何在嵌入式Linux系统上实现无线网关的功能。 1 嵌入式Linux的基本原理 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统由于硬件的先天限制，只具有极稀少的硬件资源，通常不具有磁盘而用小容量的Disk on Chip或Disk on Module等来代替。 Linux作为嵌入式操作系统是完全可行的。它能处理嵌入式任务和用户界面；将Linux看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时间服务及其他的分拆的微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务。Linux作为嵌入式系统，对许多CPU和硬件平台具有易移植、稳定、功能强大、易开发的优点。Linux作为一种可裁减的软件操作系统，是发展未来嵌入式设备的绝佳资源。因为Linux的源代码公开，易于定制，提供完成嵌入式功能的基本内核和所需要的用户界面。 一个小型的嵌入式Linux系统需要三个基本要素：引导工具、Linux微内核(内存管理、进程管理和事务处理)和初始化进程。如果要它成为完整的操作系统且继续保持小型化，还得加上硬件驱动程序、文件系统以及提供所需功能的一个或多个应用程序。 2 802.11b无线网关在嵌入式Linux上的实现 由于Linux开始是为台式机开发的，加上嵌入式系统硬件资源固有的一些限制，因此，要实现无线网关在嵌入式Linux系统上的应用，就需要对Linux系统进行特别定制，删除无线网关不需要的部分，真正做到精简系统，减少成本的目的。 2.1 精简内核 Linux内核是可以根据特定的要求进行定制的，我们使用的是2.4.4的内核。在/usr／src／Linux目录下，使用make menuconfig，去掉内核对floppy、cdrom的支持选项；Second extended fs(ext2)是实际上的Linux文件系统的标准，所以除了此项，把对其他所有filesystem的支持去掉；去掉内核对sound的支持；去掉所有的字符设备(char-acter device)等。 在去除的同时，要根据AP应用软件及一些特定功能的要求，在内核中留下对需要的驱动的支持，具体的有：①无线网关连接无线网络与有线网络，因此要保留对网络的支持(network support)，保留对TCP/IP stack的支持，保留对以太网卡如嵌入式最常用的R18139驱动的支持，并且要在内核中设置模块项；②嵌入式系统如果使用的是Disk On Chip，则内核中还要选中对它的支持：M-sys-tems drivers；③在内核中保留对特定功能的支持，如要使用PPP(点对点协议)，则编译的内核必须包含对PPP的支持。 配置完成后，重新编译内核，然后修改Linux系统引导器lilo的配置文件并最后以新编译的核作为启动内核。重启计算机，若运行一切正常，则精简内核的工作就完成了。 2.2 缩小Linux文件系统 嵌入式Linux本身是一种操作系统。它的主要任务是管理计算机上的系统资源，为用户提供使用计算机及其外部设备的接口。它存在的目的是为了管理所有的硬件资源，并且提供给应用软件一个合适的操作环境，因此在对嵌入式Linux系统进行大幅度删除、缩小的同时也要保留一些基本的命令和目录。 这些保留的命令和目录大体可以分为三类。一类是Linux系统启动所需要的。这类重要的文件有init、getty等，重要的目录与文件有/etc/rc.d、/etc/inittab等；在启动时还会调用目录/bin及/sbin下的一些命令，若已删除，可以根据启动时的出错信息进行添加。第二类是用于完成一些系统基本功能的保留命令和目录，最简单的如拷贝命令cp，进入和跳出目录的命令cd，列举目录下内容的命令ls等，这些命令完成操作系统最基本的功能。另一些命令需要与特定的配置文件或是存放配置文件的目录相对应，完成相对特殊的功能。当然，具体要实现什么功能要根据实际来定，并尽可能保留必要的命令与相应的目录或是配置文件，达到在完成功能的情况下尽可能少地占用存储空间。完成上面的裁减工作后，重启。若Linux能够正常启动、运行，表明初步的Linux嵌入式系统已经构架成功。最后一类就是使无线网关能够正常工作的。无线网关是以运行脚本命令pcmcia将驱动程序中已编译好的目标文件作为模块加载到系统中而启动的，Linux提供了depmod、insmod、rmmod及其他一些命令来保证适当的模块以正确的顺序加载，所以系统中必须保证存在这些命令，同时无线网关启动时还要读取配置文件。这些配置文件通知无线网关的驱动程序相关参数的设置，所以配置文件所在的目录/ect/pcmcia要保留。有了这些以后，无线网关就能正常启动了。 2.3 无线网关功能的实现 如图1所示，无线网关需要完成的最重要的功能就是：与无线节点通信、桥接所有的无线节点、实现无线网络和有线网络的跨网段连接。 配置Linux的内核模块，用PCMCIA CardService的方式驱动PCMCIA，运行“make modeules”以及“make modeules_install"来产生和安装核心模组。由于标准发行的“Linux内核源码中，桥接功能和封包过滤功能(NetFiIi—ter)不能一起正常工作，因此为了要在同一台计算机上同时运行桥接功能和IPtables，需要对核心源码进行修补。相关补丁可以从http：//bridge．sourceforge．net/上下载。另外，要获取PCMCIA-CS 3.2.1和PRISM2 HlostAP的驱动程序包，移植PCMCIA-CS和PRISM2 HostAP的驱动程序。完成这一步工作需要具有Linux下编译程序源码的简单知识，主要是交叉编译器(GCC)的使用。编译好的模块*．o文件放在/lib/modules/2.4.4/misc：下，然后用depmod-a使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载，用rmmod命令卸载，并可以用lsmod命令查看所有已加载的模块的状态。最后，桥接有线网卡和无线网卡，需要Linux下硬件(主要是网卡)配置和网络配置的一些基本知识。 模块搭建完毕后进行桥接功能的构建。解开桥接补丁bridge-utils.tar．gz，编译全部通过并且移植成功后，可以用“ifconfig-a”命令查看所有的网络接口：lo——本地loopback设备；ethO——第一个以太网卡；ethl——第二个以太网卡；wlan0——无线网卡。用“ifconfig<设备>0.O.0.O”命令改变除了lo设备以外所有网络接口的工作方式，以迫使系统进入杂乱模式，可以接收所有数据包。然后，执行“brctl addbr br0”命令来添加一个名字为br0的桥接设备，再用“bretl addif br0 ethO”和“brctl addif br0wlan0"把无线端和有线端的接口绑定。接着，用“ifeonfigbr0 192.168.2.18 up"’使桥接设备生效。 内核配置时选定GeneraI setup--->[*]Sysctlsupport，这样才会在板子的文件系统中/proc/sys/net/ipv4／出现ip_forward文件，然后在应用程序中提供ena程序(加到etc/init．d/rcS中一句/bin/ena-e)，将ip_for-ward文件中默认的0改为1，这样就打通了数据转发的通道。下面就是要加上iptables，以支持NAT(NetWork Ad—dress Translation)。从网上下载iptables-1.2.5软件，在iptables-1.2.5目录下执行make，编译通过后，将生成的可执行文件iptables加到ramdisk里面，然后烧写到板子上进行配置即可。 iptables对NAT的支持既需要Linux内核的支持，还需要iptables命令的设置： ①内核编译选项。在内核配置选单中的“Networkingoptions--->"选项下，选中“NetWork packet filtering(replaces ipchains)”项，并且在下面的“IP：Netfilter Con—figuration--->”选项中选择全部选项。 ②iptables命令支持 #!／bin／bash # 打开端口转发 echo 1>/proc/sys/net/ipv4/ip_forward加入转发规则：iptables - t nat - A POS—TROUTING - 0 ethl - j MASOUERADE。 至此，构建无线网关的工作全部完成。 3 测试结果 搭建无线网关的测试系统如图2所示。 将上位机的网关设置为172.17.248.169，用VB 6.0在上位机上开发一个负责监听网络的应用程序；在无线终端一方编写一个客户端程序，负责客户端数据的发送和接收显示，并在无线终端一方添加从网关到上位机的路由。然后，上位机运行ping命令，测试结果如下： # 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 statistics---4 packets transmitted，4 packets received，0% packet loss round—trip min/avg/max=1.4/1.5/1.8 ms上位机与无线终端通信的测试结果如图3所示。 结 语 至此，嵌入式Linux系统上802.11b无线网关的软件实现工作基本结束。测试结果表明，无线网关的基本功能，即与无线终端通信、桥接无线终端、实现无线网络和有线网络的跨网段连接已经实现。下面将对该无线网关做完善，以便进一步实现该无线网关在EPA(Ethernet for Plant Au-tomation)控制网络中的应用。