基于ATM的ADSL網關的研究與實現

隨著互聯網上的內容越來越豐富多彩，人們對傳輸帶寬的需求也逐漸增大，傳統(tǒng)Modem的56K帶寬日益顯得不堪重負。如何充分有效利用現有的電話線資源來獲得足夠的帶寬呢？ ADSL(不對稱數字用戶環(huán)路)是一個很好的答案。ADSL技術利用電話線上高于話音頻帶的帶寬（4K～1.1MHz），采用離散多音頻調制技術來調制高速數字信號（傳統(tǒng)的Modem是用話音頻帶來調制數字信號）,下行速率可達8Mbit/s，上行可達1.5Mbit/s。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數字信號處理（DSP）技術的不斷進步,DSL技術也不斷趨于成熟。ADSL完成A/D、D/A變換，采用FFT/IFFT作DMT和卷積編碼調制，既實現了高帶寬利用率，又保證了傳輸的低誤碼特性。我們所設計的ADSL網關采用Itex的Apollo 3 ADSL PCI解決方案作Internet的接入部分，另一側用以太網或無線局域網接多用戶，接口為RJ-45和無線訪問點（AP）天線，提供了靈活方便的組網方式，可以廣泛應用于家庭、小型辦公室的接入。在軟件上，我們采用根據硬件結構來定制Linux內核的方法，整合了必要的驅動模塊來作網關的操作系統(tǒng)，不僅完成對ADSL接入模塊、以太網模塊以及無線局域網（WLAN）無線接入點AP模塊的驅動，還提供DHCP、SNMP以及IP防火墻等應用功能。

一、 硬件體系結構

1．AMD微控制器總體構架

　　AMD公司推出的ElanSC520功能強大，適用于在嵌入式環(huán)境下用作協(xié)議處理器和網絡處理器，兼容PC/AT，支持32位PCI外部總線，而且其傳輸的低延遲和低價位使其獲得了廣泛的應用。ElanSC520集成了一個工業(yè)級的X86處理器，從而為與X86結構適配的軟件提供了良好的接口和易移植性，支持包括Linux和Windows在內的多種操作系統(tǒng)，內建的高速PCI總線接口符合PCI V2.2規(guī)范，可擴展1～5個PCI總線設備，通過其內部的PCI總線仲裁機制來決定與哪一個PCI設備進行相互通信。PCI總線的最高傳輸速率可達132MB/s。在ADSL網關設備的設計中，我們使用了三個PCI總線設備，這三個總線設備共享PCI總線與ElanSC520進行通信。ElanSC520微控制器還帶有高性能的SDRAM和ROM/FLASH接口，同時還有用于配置和調試的UART串行接口,可以接模擬終端。基于ATM的ADSL網關的硬件體系結構如圖1所示：

圖1：ADSL硬件體系結構

2. ADSL接入設備

　　ADSL接入端采用Itex的Apollo 3的PCI解決方案，其芯片組包括線路驅動、模擬前端和數字收發(fā)器，完成對電話線路上信號的發(fā)送和接收濾波、放大、A/D和D/A轉換、FFT/IFFT等數字信號處理，并通過PCI總線與ElanSC520進行通信。該組芯片將PCI到UTOPIA（標準信元接口）的轉換功能集成到DMT收發(fā)器和ATM的成幀器中，將線路接收器集成到模擬前端中。由于控制由主處理器完成，Apollo3不需要額外的存儲設備和控制器，使板上的控制需求減少到最小，從而大大降低了功耗。該芯片組符合以下協(xié)議標準：G.992.1(G.DMT), G.992.2(G.LITE), G.994(G.HS), T1.413 Issue 2(1998)

其結構如圖2所示：

圖2：ADSL線路接入端結構

信號由RJ－11電話線接口進來，收端通過接收濾波器送到接收部分進行濾波、信號放大，經A/D變換，FFT解調，送往處理器進行處理；而在發(fā)端,由處理器出來的數字信號經過IFFT進行DMT調制，再經過線路驅動模塊，濾波后發(fā)送到電話線路上進行傳輸。

3.以太網接口

　　以太網采用的是Realtek 的RLT8029AS芯片，與NE2000兼容，符合標準的802.3CSMA/CD協(xié)議規(guī)范。其全雙工特性允許同時發(fā)送和接收，集成了曼徹斯特編解碼器，可以用于無盤工作站。

4.WLAN_AP接口

　　為了方便筆記本電腦共享電話線上網，我們在用戶端還提供了WLAN_AP接口，可以方便的進行無線局域網的組網，在這里我們使用了TI公司的PCI1410A橋芯片將PCI信號轉為PCMCIA信號，接無線網卡，將數據包封裝為符合IEEE802.11b協(xié)議的幀進行傳輸。

二、 軟件體系結構

　　由于Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、開放性以及可擴展性，使它在嵌入式系統(tǒng)中獲得較為廣泛的應用，然而由于Linux允許非搶先式操作,使其不可能成為完全的實時系統(tǒng)，最多只能算是在統(tǒng)計意義上的實時。在ADSL網關的設計中我們可以將實時的信號賦予很高的優(yōu)先級，從而保證在整體上公平地進行進程調度。

　　構建嵌入式操作系統(tǒng)，我們首先考慮到在一個嵌入式的應用環(huán)境下既沒有多少內存也沒有多少外存可用，操作系統(tǒng)必須存放在有限的存儲器Flash中，所以我們必須根據硬件的構架來定制我們需要的Linux內核。由于ADSL接入端是基于ATM的，我們要為內核加上對PPP over ATM的patch（補?。?，對于在ATM基礎上支持Internet，實際上可以歸結為在ATM上如何支持TCP/IP的問題，即ATM如何承載IP包的問題。在ADSL網關應用中，要共享ADSL線路接入Internet，遵循的是點到點協(xié)議，因此ADSL接入端的驅動程序實際上是一個PPP over ATM的模塊，它將作為內核的一個可載入模塊進行進程調用，而以太網驅動程序和WLAN_AP的驅動程序是實現在以太網和無線介質里傳送IP包的，即分別用802.3和802.11的幀格式來封裝IP包，這樣ADSL網關的協(xié)議棧就如圖3所示。