拿起手術刀 深入剖解路由器的“心臟”技術

寬帶上網(wǎng)已經(jīng)不是什么新鮮事情，人們對相關的網(wǎng)絡器件已經(jīng)不再陌生，比如說常見的路由器。對于一般的網(wǎng)絡用戶，他們能知道怎樣使用路由器來上網(wǎng)、玩游戲等就已經(jīng)感到很滿足了，通常情況下對路由器的深層技術很少去過問研究，但做為興趣廣泛的技術愛好者，對這方面的知識是非常感興趣的。

但限于各種條件的制約，這些愛好者都非開發(fā)者，很大程度上無法深入了解真正的技術實現(xiàn)過程以及相關的核心內(nèi)幕。正是基于此點，筆者憑借自身的知識沉淀，盡最大努力為愛好技術的讀者架設一坐能通向深層核心的橋梁，為大家揭開路由器的神秘面紗，剖開其核心內(nèi)臟。為使讀者能清晰明白的理解掌握，筆者盡量將專業(yè)的技術內(nèi)容轉化為容易接受的知識講解，其中可能有不足偏頗之處，還請大家多見諒。

概述

什么是路由器?

互聯(lián)網(wǎng)是依靠路由器連接起來的，路由器是互聯(lián)網(wǎng)或者說IP網(wǎng)絡的核心設備。寬帶接入的不斷增長，帶動了路由器的需求不斷增加。

路由器究竟是什么樣的技術產(chǎn)物?

談到路由器的開發(fā)，我們就不免要談到“嵌入式”設備的開發(fā)，沒錯，通俗的說，路由器就是一種嵌入式產(chǎn)品。那么究竟什么是嵌入式設備呢?

其實就目前而言，嵌入式設備已經(jīng)不斷深入我們的日常生活方方面面。通俗的講，嵌入式設備是指具有計算機功能，但又不稱為計算機的設備或器材，它幾乎包括了我們周圍的所有電器設備:PDA、手機、機頂盒、汽車、微波爐、電梯、安全系統(tǒng)、自動售貨機、醫(yī)療儀器、立體音響、自動取款機等。

用較為專業(yè)的話來表述的話，嵌入式設備就是使用微處理器或微控制器芯片(MCU)加上外圍電路再加上內(nèi)部的程序部分來實現(xiàn)特定功能的嵌入設備。比如8位的單片機、32的ARM以及DSP芯片等都屬于嵌入式核心芯片的范疇。8位MCU市場已逐步趨向穩(wěn)定，32位MPU代表著嵌入式技術的發(fā)展方向，正在加速發(fā)展。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內(nèi)核的微處理器在市場上處于絕對的領導地位，因此追蹤ARM技術的發(fā)展趨勢顯得尤為重要。

路由器的開發(fā)通常都是基于32位處理器的，就通常的中低端路由器而言，在開發(fā)的配置上有多種選擇，比如有ARM9核心芯片+Wince操作系統(tǒng)、ARM7核心芯片+uClinux操作系統(tǒng)、DSP芯片+Vxworks操作系統(tǒng)等等各種各樣的選擇。本文針對常用的SOHO路由器來介紹，選擇ARM7核心芯片+uClinux操作系統(tǒng)開發(fā)模式，以完整形象的實例為大家清晰講解路由器的技術實現(xiàn)過程。

我們?yōu)槭裁匆許OHO路由器為介紹對象呢?什么是SOHO路由器?前很多家庭中有不止一臺電腦，需要上網(wǎng)獲取信息、收發(fā)郵件等。這些小型公司和家庭網(wǎng)絡用戶計算機的數(shù)目一般不多，網(wǎng)絡結構不復雜。功能和帶寬的要求不高。出于提高網(wǎng)絡性能、共享有限IP地址或節(jié)省上網(wǎng)費用等原因，這些用戶迫切需要具有較高性價比的小型路由器。我們把這種小型路由器稱為SOHO路由器。目前市場上已經(jīng)充斥了大量的這類低端路由器.由于ARM7系列芯片價格便宜，非常適合嵌入式系統(tǒng)使用。目前市場上的SOHO路由器大多采用ARM7系列處理器。不過由于技術的發(fā)展，ARM9系列的專用路由芯片的路由器也逐漸普及。

路由器宏觀介紹

我們可以形象的把嵌入式設備的開發(fā)簡單的理解成三層模式，最底層的是微控制器芯片加外圍器件組成的硬件系統(tǒng)，比如我們介紹的開發(fā)小型SOHO路由器所使用的ARM7TDMI芯片等硬件環(huán)境，它是設備功能實現(xiàn)的硬件基礎，要實現(xiàn)上層的應用肯定離不開最底層硬件的支持。中間層是操作系統(tǒng)，比如我們所選擇的uClinux操作系統(tǒng)，它是銜接硬件部分和應用程序的過渡層，它既可以完成對底層硬件的基本操作，又能為上層應用程序提供運行環(huán)境支持。最上層自然就是應用程序?qū)恿?，它是實現(xiàn)針對性應用的程序代碼部分，比如路由設置等功能程序部分。

那對與SOHO路由器來說，它當然也脫離不了這樣的技術框架，它的更為具體的實現(xiàn)過程簡單的匯總的話，莫過于如下內(nèi)容：

首先先要知道SOHO實現(xiàn)的網(wǎng)絡功能，典型路由器應該具備以下功能:

支持PPPoE，固定IP上網(wǎng);

DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議;

網(wǎng)絡地址轉換(NAT)技術;

根據(jù)TCP，UDP的端口號(port number)，IP 的(協(xié)議號)protocol number，對IP地址進行簡單過濾的防火墻;

虛擬服務主機/端口映射(Port Forwarding)技術;

支持一定數(shù)量的特殊應用程序;

然后針對于上邊的功能要求，相應地要通過硬件和軟件的構造來實現(xiàn)：

硬件方面：

1、要明確家用小型路由器(一個WAN接口，四個LAN接口)的硬件原理。

2、實現(xiàn)硬件電路板設計，完成電路布線設計，并對元件焊接，通過硬件板的調(diào)試。

軟件方面：

1、在分析 uClinux內(nèi)核源代碼的基礎上，對uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核裁剪。

2、完成BoaWeb服務器的配置，并對CGI腳本進行設計，完成動態(tài)網(wǎng)頁的功能。

3、對PPPOE的撥號進行配置實現(xiàn)。

4、針對Linux內(nèi)核防火墻部分，運用IPtable工具進行防火墻規(guī)則操作。

通過如上的基本構造，一個路由器就基本成型了。說起來簡單，但其中包含了很多很多的技術細節(jié)，要有大量的實踐經(jīng)驗才能真正實現(xiàn)。做為門外觀奇的好學讀者，現(xiàn)在肯定有些不耐煩了吧，想要了解更多的更詳細的構造內(nèi)容吧?那好，現(xiàn)在就可以開始我們真正的技術之旅了。

路由器工作原理

1、基本原理

要實 現(xiàn) 網(wǎng) 絡中通信節(jié)點彼此之間的通信，首先必須給每個節(jié)點分配一個唯一的IP地址。路由器應該至少有兩個網(wǎng)絡端口，分別連接LAN或者WAN子網(wǎng)上，每個端口必須具有一個唯一的IP地址，并且要求與所連接IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡號相同。不同的端口有不同的網(wǎng)絡號，對應不同的IP子網(wǎng)，這樣各子網(wǎng)中的主機才能通過自己子網(wǎng)的IP地址把要求發(fā)出去的IP數(shù)據(jù)報送到路由器上。

當路由器收到一份IP數(shù)據(jù)報后，首先要對該報文進行判斷，然后根據(jù)判斷的結果做進一步的處理。如果數(shù)據(jù)報是有效或正確的，路由器就根據(jù)數(shù)據(jù)報的目的IP地址轉發(fā)該報文:否則就把報文丟棄。如果這個數(shù)據(jù)報的目的IP地址與路由器直接相連的一個子網(wǎng)上，路由器會通過相應的接口把報文轉發(fā)到目的子網(wǎng)上去;否則會把它轉發(fā)到下一跳(Hop)路由器。為了完成上述的操作，每臺路由器必須維護一個路由表。把對應不同目的地的最佳路徑存放在路由表中，這就是路由策略(Routing Policy)問題。路由表反映網(wǎng)絡的拓撲結構，一般一條表項應該包含數(shù)據(jù)報的目的IP地址(通常是目的主機所在網(wǎng)絡的地址)、下一跳路由器的地址和相應的網(wǎng)絡接口等，在網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化的時候，路由表也應該做相應的變動。所以路由器必須能夠生成并更新路由表。