（信息与通信工程专业论文）基于arm9的无线路由器设计开发.pdf

摘要 摘要 h l t e m e t 应用的普及，使人们在工作、学习、生活等各个方面对网络的依赖性 越来越强。随着无线局域网技术的不断发展和成熟，无线设备在家庭和中小型办 公环境中的应用越来越广泛。由于有线网络布线工作量大、改线困难、无法移动， 而无线设备具有可移动、接入灵活、使用方便等优点，所以无线网络越来越受到 人们的青睐。无线路由器作为互连无线设备、处理无线信息、接入i n t e m e t 的必需 设备之一，其发展前景将会越来越广阔。 论文设计了一种基于a 褂v 1 9 的无线路由器方案，硬件平台的核心采用m i c r ；e j 半导体公司专为以太网通信系统的集线器和路由器生产的k s 8 6 9 5 x 高性能1 6 3 2 位i u s c 微控制器，软件设计基于嵌入式l i n u x 系统。作者主要对路由器的硬件设 计和软件设计实现过程做了叙述，同时将设计模型在n s 2 仿真软件中做了模拟仿 真，针对无线路由器的相关参数和数据资料做了验证，并做了比较分析，为无线 路由器设计开发的进一步实现奠定了基础。最后，对设计开发过程中所做的工作 做了总结，并对下一步的研究提出了展望。 关键词：无线路由器无线局域网嵌入式系统n s 仿真l i n u x 系统 2 基于a r m 9 的无线路由器设计开发 a b s t r a c t w i t ht l i et r e n do f 、i d e 脚1 9 ea p p i i c a t i o no ft h ei n 洄m e t ，p e o p l er e i yo nn e “v o r k m o r e 龃dm o r ei nw o d d n g ，s t u d ya n dl i f e f o l l o 嘶n gt h et e c h l l i q u co f 讪r e l e s sl a n w 嬲d e v e l o p e ds u c c e s s 向i l y ，m o r c 锄dm o r c 、i 腭i e s sd c “c ew 船u s e di nw o r k i n g0 f h o m eo 伍c e b e c 哪eo fn e t sd i s a d v a i l t a g e s ，s u c h 鹤谢r i n gi n 咖u a t i o nm u c hl o n g r e w i r i n gi n c o n v e n j e n ta i l di 眦n o v a b l e o nt l i ec o n t r a 吼b e c a u s eo f 谢r c l e s sd e v i c e s m o b i l i 劬c e s s i n gn e x i b l e 觚du s i i l ga d v a l l t a g e o u s l y 晰r e l e s sr o u t e rh a sa 诵d ef o r e g r o u n d w 出c hi so n eo fan e c e s s a f yn e “v o f kd c v i c c 句rc o n n e c t i n gw i r e l e s sd c v i c e ， p m c e s s i n g 、v i r e l e s sd a l a 锄da c c c s s i n gt 0i l l 把m e t n ed e s 啪p r o p o 朝lo f a w i f e 】e s sr o u t 既b a s co n a 黜订9h a sb c 髓p r o p o s c d i i l t h i s p a p 瓯1 h ch i 曲q u a l i t y16 3 2b i t 砒s cm i c r oc 0 i l 仃0 l l e rm a d eb ym i c r c ls e m i c o n d u c t o r 1 1 1 cf o re t h e m c tc o m m u l l i c a t i o ns y s t e mi s 璐c dt ob e g a r d e da st h ec o r ep a r to ft h e h a r “a r ep l a 晒n n ，锄d i 乜s o f t 、v a r e i s b 雒e do n 恤e m b e d d e ds ) ，s t e m - i ，i m t h ep a - p 盯m a i j l l ys t a t 锄e n lt h ep r o c e 鼹o fh a r d w a r ea 1 1 ds o 脚a r ed e s i 舯f o rw i r c l e s s r o u t e l f u r t l l e ra 锄l o gs i m 山a t i o no ft l l ed e s i g ni sm a d eb yt l l es i m u l a t i o ns o f h 眦 n s 一2 ，t 1 1 ep a r a m e t e ra n dr e l a t j v ed a t aa _ b o u tt l l ew i r e i e s sr o u t c ra r ca n a j y z e d a l lo f t l l e s c w o r kl a yt h ed e p e n d a b l ef b u n d a t i o nf o r 胁h e rd e s i g i la 1 1 da c l l i e v i n go f 砸r e l e s sr 0u t i z i l lt 1 1 el a s tp a n ，t h ew o r ko fd e s i g n 姐de x p l o r a t i o na r es u t m 嘣z e d 柚dap 盯s p e c t j v e v i e w p o i n ti sb r o u g h tf o r w a r da b o u t t l l i ss t u d y k e y w o r d ：w i 作i 鹳sr o u t e r w i 仲i e 鹑l a ne m b e d d e ds y s t e mn ss i m u i a t i o nl 矾u xs y s t e m 声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。 本人签名： 垒主廷日期兰：竺2 ：f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：茎主尘 导师签名： 妻鱼量日期丝晕：堡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 无线路由器的研究背景及意义 如今随着e t l l 锄c t 的广泛应用和高速局域网技术的迅速发展，网络已经渗入 到了商业、金融、政府、医疗、科研、教育等各个领域，使得网络成为了人们生 活中不可缺失的一个重要组成部分。根据信息行业部的预测，到2 0 0 7 年底，我 国互联网用户将达到3 亿人。 由于有线网络布线、改线工程量大，线路容易损害，网中的节点难以移动， 促使无线局域网技术不断发展并已逐渐成熟，同时随着无线产品的不断推出，使 得人们对无线局域网的依赖性越来越大。所以，移动方便、按入灵活的无线设备 在人们生活中的地位将会越来越高。无线路由器可以连接u 悄( l o ia 他an e t w o r k ) 和w a n ( w j d ea r e an e t w o r k ) ，集路由功能和无线接入功能为一体。所以作为无线 局域网中互连无线设备、处理无线信息的必需设备之一，无线路由器发展前景将 会越来越广阔。 在此背景之下我们提出了基于e e 8 0 2 1 1 9 无线s w i t c h 研究开发课题， 目的主要是为家庭和中小型办公环境开发设计价格低廉、使用方便的无线路由 器，使终端可以随时随地通过无线局域网灵活接入i n t e r l l c t 。本论文就是围绕这 一课题展开的。论文中对路由器的硬件设计和软件设计过程做了叙述，同时，通 过n s 2 网络仿真环境，对路由器的性能和参数做了仿真验证，为无线路由器的 进一步实现奠定了基础。 1 1 2 国内外研究状况 中国无线路由器开发紧跟世界潮流，中国厂商生产的无线路由器相对于国际 品牌的产品具有明显的价格优势，因此在对价格非常看重的中国本土市场受到消 费者的欢迎。目前中国本土无线路由器厂商主要有深圳鑫朗润通讯、普联技术 ( t p l i n k ) 、腾达科技、朗科等。目前中国厂商的无线路由器产品以内销为主，出 口较少。无线路由器的技术已经从早先的8 0 2 1 l b 发展到如今的8 0 2 1 l g ，以后 还会向采用m o 技术的8 0 2 1 1 n 发展。m v i o ( m u l t i p l ei i l p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 是一项多进多出技术，这种技术在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和 多通道。 目前主流的无线路由器芯片方案大都是将无线路由处理器和交换芯片分开， 2 基丁删9 的无线路由器设计开发 但也有芯片公司推出了集成路由处理器和百兆交换的方案，如r e a l t e k 。中国无 线路由器厂商主要采用a t h e r o s 、b r o a d c o m 、m a r v e l l 公司的芯片方案，而且大都 采用百兆交换芯片，千兆交换功能由于千兆交换芯片的功耗和成本问题，还未在 家用的无线路由器中大规模采用。在短期内家用的无线路由器还是会以百兆为 主。在企业和网吧中，由于速度的考虑，千兆无线路由器有较多的应用。同时今 后无线路由器会加强安全功能，原来的w e p 加密技术会向8 0 2 1 x 发展。 虽然8 0 2 1 1 n 的标准还未最终制定完成，但是国外一些网络设备厂商已经推 出了采用8 0 2 1 1 n 核心技术m d v i o 技术的无线路由器产品，而中国的厂商现在正 在研发之中，不久以后也会推出采用m 讧o 技术的无线路由器产品。采用m 讧o 技术的新一代无线路由器使得无线局域网的速度真正跨越了l o o m b p s 的界限， 从而真正达到并超越了早己成为主流的百兆快速以太网的速度。随着大容量数据 和高清晰视频流的即将流行，这种高速无线局域网技术将会越来越受到消费者的 欢迎。 随着无线网络的普及应用，在无线传输速率及传输的可靠性方面表现优异的 m v i o 技术，必将成为无线通信领域的热点技术。可以预见，随着8 0 2 1 1 n 草案 规范的推出，以及8 0 2 1 l n 芯片组价格的下降和普及，支持8 0 2 1 1 n 标准和m 订o 技术的无线路由器不久以后将会在全球和中国逐渐普及开来，并会渐渐取代原有 的8 0 2 1 1 b g 无线路由器。 1 2 1 无线局域网的发展 1 2 无线局域网技术 由于有线网络在某些场合受到限制，布线、改线工程量大，线路容易损坏， 网中的各节点难以移动等。于是无线局域网应运而生。 无线局域网( w l ，a n ) 源于1 9 7 1 年夏威夷大学( u 面v e r s 时o fh a w a i i ) 的研究员 创造的第一个基于封包式技术的无线电通讯网络a l o h n e t 网络，无线技术 发展到现在，已经拥有巨大的用户基础和技术基础。从1 9 9 7 年6 月的第一个无 线局域网标准正e e 8 0 2 1 1 演化出e e 8 0 2 1 l b 、m e e 8 0 2 1 l a ，再到最新的 e e 8 0 2 1 l g 标准的推出，使得局域网技术得到了长足的发展。目前，w l a n 及 其无线的特点已经被越来越多的行业和企业挖掘出来，在基于w l n 的无线网 络甚至在某些创新的商业模式中扮演着有线网络不可替代的角色。中国无线局域 网的应用开始于特殊地域的个别行业，到2 0 0 2 年中国无线局域网的应用正式启 动，中国市场对无线局域网设备和服务的需求正在不断升温。 实际上，无线局域网( w i f i ) 技术现在已经装入几乎每一台笔记本电脑，由于 第一章绪论 它不需要固定电缆，已使家庭和小型办公室网络发生了改变。由此可见，无线网 络将是今后网络发展的主流，无线设备市场的前景前途无量。因而开发具有高性 能、低价格的无线路由器和相关设备切实可行。 1 2 2 无线局域网标准 主流的无线局域网产品最早来自于e e 组织于1 9 9 7 年6 月批准的8 0 2 1 1 标准。在随后为了能有更高的数据通信带宽、更多的功能和能促使无线局域网得 到更快速的发展，e e 工作组将8 0 2 1 1 标准进行了扩展和加强。表1 1 表达了 当前最为流行的三种不同的m e e8 0 2 1 1 扩展标准的特性： 表1 1 e e8 0 2 1 1 标准特性比较表 标准名称 8 0 2 1 l b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 1 9 标准批准时间1 9 9 9 年7 月1 9 9 9 年7 月2 0 0 3 年6 月 每于频道最大的 1 l m b p s 5 4 m b p s 5 4 m b p s 数据速率 调制方式 c c ko f d m0 f d m 和c c k 每子频道的数据 l ，2 ，5 5 ，1 l m b p s 6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，c ck 1 ，2 ，5 5 ，1 1 m b p s 速率 3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s o f d m ：6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ， 3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 工作频段 2 4 2 4 8 3 5 g h z5 1 5 5 3 5 g h z2 4 2 4 8 3 5 g h z 5 7 2 5 5 8 7 5 g h z 可用频宽 8 3 5 m h z3 0 0 m h z8 3 5 m h z 不重叠的子频道 31 23 根据无线接入点的功能不同，无线局域网可以实现不同的组网方式。目前有 基础架构模式、点对点模式、多无线接入点模式、无线网桥模式和无线中继器模 式五种组网方式。 1 2 3 无线局域网安全 由于无线局域网采用公共的电磁波作为载体，因此在无线局域网中，只要有 和无线局域网设备工作在同一个频段的设备，任何人都有条件窃听或干扰信息， 为了阻止非授权用户访问无线网络，以及防止对无线局域网数据流的非法侦听， 在无线局域网的应用中必须引入相应安全的手段。 通常网络的安全性主要体现在访问控制和数据加密两个方面。访问控制保证 敏感数据只能由授权用户进行访问，而数据加密则保证发射的数据只能被所期望 的用户所接收和理解。 无线局域网的安全技术近年来随着无线局域网的高速发展，也得到了快速的 4 基丁删9 的无线路由器设计开发 发展。基本的无线局域网安全技术包括有：物理地址( m a c ) 过滤、服务区标识符 ( s s d ) 匹配、有线等效保密( w e p ) 、端口访问控制技术( e e 8 0 2 1 x ) 和可扩展认 证协议( e a p ) 、v p n 0 l v 昏w n l 船s 技术、w p a ( w i f i 保护访问) 和新一代、1 ，a n 安全标准e e8 0 2 1 1 i 等。 1 3 1 路由器的发展过程 1 3 路由器的发展 路由器是t c p ，口网络中最主要的联网设备。多少年来，路由器的发展有起 有伏。9 0 年代中期，传统路由器成为制约因特网发展的瓶颈。a t m 交换机取而 代之，成为口骨干网的核心，路由器变成了配角。进入9 0 年代末期，h l t 锄e t 规模进一步扩大，流量每半年翻一番，a t m 网又成为瓶颈，路由器东山再起， g b p s 路由交换机在1 9 9 7 年面世后，人们又开始以g b p s 路由交换机取代a 1 m 交 换机，架构以路由器为核心的骨干网。路由器技术体系的发展，大致可以划分为 如下几个过程：第一代路由器：集中转发，总线交换；第二代路由器：集中和分 布转发，接口模块化，总线交换；第三代路由器：分布转发，总线交换；第四代 路由器：a s i c 分布转发，网络交换；第五代路由器技术：网络处理器分布转发， 网络交换和第六代路由器技术：无线接入路由器。 业务高性能、集成化、业务智能化、高可靠、高安全、易使用是路由器今后 发展的主要趋势。 1 3 2 路由器的设计理念 基于性能的路由器设计思路已经不能适应网络业务的发展趋势，路由器设计 以业务和性能并重、业务平滑演进为设计目标，面向全业务、开放的业务模型。 随着疋技术应用的日益广泛，在电信、行业和企业网络中已有一统天下的趋势， 并开始要求在m 网络上能承载各种业务，如语音、会议电视、0 a 、e r p 等，这 些业务各有不同的服务质量和安全要求，传统的m 网络无法满足业务要求，而 新的口网络至少应该能够提供端到端的q o s 和安全，为用户提供个性化服务。 为了满足全业务承载的要求，网络的各部分分工各异，相互配合。 为了适应这种网络分工的结构，路由器必须具有良好的业务适应能力和充分 的智能化，并支持全新的业务模式，如m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c l l i n 曲 v p n 、无线接入和口v 6 。口v 6 解决了p v 4 许多先天不足的问题，如q o s 、安全 等特性的最终解决方案。p 网络必将演进到以口v 6 网络为基础架构的应用时代， 是否具有平滑升级支持口p v 6 的能力已经成为选择网络设备必须考虑的关键条件 第一章绪论 之一。 1 4 论文研究的主要内容 鉴于“n 1 1 ) 【对网络技术的强大支持，文章提出了用“n u x 构建路由器的设计 思想，设计了一种基于a i t m 9 的无线路由器，硬件平台的核心采用m j c r e l 半导 体公司专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计的k s 8 6 9 5 x 高性能1 6 ，3 2 位对s c 微控制器。通过对k n 9 8 8 6 j 讯m 开发板的实验，对 r m 内核k s 8 6 9 5 x c p u 进行了代码调试，搭建了一个基于a r m 9 的嵌入式系统开发平台，提出了 基于k s 8 6 9 5 xc p u 的无线路由器设计方案。在l i n u x 内核基础上，编译运行了 部分用户态程序和内核模块程序。同时对设计模型在n s 2 仿真软件中做了模 拟仿真，针对无线路由器的相关参数和数据资料做了比较分析。最后对论文的工 作做了总结，提出展望。主要内容包括： 第一章：绪论 第二章：路由器理论基础 ， 第三章：无线路由器硬件设计 第四章：无线路由器软件设计与实现 第五章：无线路由器功能仿真及其结果分析 第六章：总结与展望 第- 二章路由器理论幕础 第二章路由器理论基础 2 1 路由器的工作原理及其功能 2 1 1 路由器的工作原理 路由器用于链接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络代表一个单独的网络或者 一个子网。当数据从一个子网传送到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此， 路由器具有判断网络地址和选择路径的功能。它能在多网络互联环境中建立灵活 的链接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法链接各种子网。路由器只接受 路由器管理的网络节点( 如个人主机、服务器等) 或其它路由器的信息，属于i s o 网络模型中网络层的一种互联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运 行与网络层协议相一致的软件。路由器分本地接入路由器和核心路由器。本地接 入路由器用于连接网络接入点，并在多种网络介质中充当转换器，如a d s l ， i s d n ，e t h 册e t 等：核心路由器用来连接骨干网络。路由器的主要工作就是为经 过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站 点。由此可见，选择晟佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成 这项工作，在路由器的路由表中记录着各种传输路径的相关数据，供选择“下一 跳”的路由时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和传送 路径中下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的， 也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由网络节点控制。路由 表分为静态路由表和动态路由表两种，其中： 1 静态路由表，由系统管理员事先设置好固定的路由表，也称之为静态路 径表。它一般在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定，不会随未来网络结 构的改变而改变。 2 动态路由表，是指根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。它将 根据路由选择协议提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计 算数据传输的最佳路径。 2 1 2 路由器的功能 路由器主要有以下几种功能： 1 网络互连。路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网 和广域网，实现不同网络之间互相通信： 基丁a r m 9 的无线路由器设计开发 2 数据处理。提供包括分组过滤、分组转发、优先级判定、复用、加密、 压缩和防火墙等功能； 3 网络管理。路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制 等网络管理功能。 2 2 1 路由器的结构 2 2 路由器的结构及其分类 路由器主要由以下几个部分构成：输入端口、输出端口、交换开关和路由处 理器。 输入端口是物理链路和输入包的进口处。端口通常由线卡提供，一块线卡一 般支持4 、8 或1 6 个端口，一个输入端口具有许多功能。第一个功能是进行数据 链路层的封装和解封装；第二个功能是在转发表中查找输入包目的地址从而决定 目的端口( 即路由查找) ，路由查找可以使用一般的硬件来实现，或者通过在每块 线卡上嵌入一个微处理器来完成；第三，为了提供q o s ( 服务质量) ，端口要对收 到的包分成几个预定义的服务级别；第四，端口可能需要运行诸如s l 口( 串行线 网际协议) 和p p p ( 点对点协议) 这样的数据链路级协议或者诸如p p t p ( 点对点隧道 协议) 这样的网络级协议。一旦路由查找完成，必须用交换开关将包送到其输出 端口。如果路由器是输入端加队列的，则有几个输入端共享同一个交换开关。这 样输入端口的最后一项功能是参加对公共资源( 如交换开关) 的仲裁协议。 交换开关可以使用多种不同的技术来实现。迄今为止使用最多的交换开关技 术是总线、交叉开关和共享存贮器。最简单的开关使用一条总线来连接所有输入 和输出端口，总线开关的缺点是其交换容量受限于总线的容量以及为共享总线仲 裁所带来的额外开销。交叉开关通过开关提供多条数据通路，具有n n 个交叉 点的交叉开关可以被认为具有2 n 条总线。如果一个交叉是闭合，输入总线上的 数据在输出总线上可用，否则不可用。交叉点的闭合与打开由调度器来控制，因 此，调度器限制了交换开关的速度。在共享存贮器路由器中，进来的包被存贮在 共享存贮器中，所交换的仅是包的指针，这提高了交换容量，但是，开关的速度 受限于存贮器的存取速度。尽管存贮器容量几乎每1 8 个月能够翻一番，但存贮 器的存取时间每年仅降低5 ，这是共享存贮器交换开关的一个固有限制。 输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮，可以实现复杂的调度算法以 支持优先级等要求。与输入端口一样，输出端口同样要能支持数据链路层的封装 和解封装，以及许多较高级协议。路由处理器计算转发表实现路由协议，并运行 对路由器进行配置和管理的软件。同时，它还处理那些目的地址不在线卡转发表 第二章路由器理论摹础 9 中的包。 2 2 2 路由器的分类 按路由器所连接的互联网的级别，可将路由器分为： 1 接入路由器 接入路由器连接家庭或i s p 内的小型企业客户。 2 企业级路由器 企业或校园级路由器连接许多终端系统，其主要目标是以尽量便宜的方法实 现尽可能多的端点互联，并且进一步要求支持不同的服务质量。 3 骨干级路由器 骨干级路由器实现企业级网络的互联。对它的要求是速度和可靠性，而代价 则处于次要地位。 4 太比特路由器 在未来核心互联网使用的三种主要技术中，光纤和d w d m 都已经是很成熟 的并且是现成的。如果没有与现有的光纤技术和d w d m 技术提供的原始带宽对 应的路由器，新的网络基础设施将无法从根本上得到性能的改善，因此开发高性 能的骨干交换路由器( 太比特路由器) 已经成为一项迫切的要求。太比特路由器技 术现在还主要处于开发实验阶段。 。 另外，如果从性能档次分，路由器有高、中、低档路由器。通常将路由器吞 吐量大于4 0 g b p s 的路由器称为高档路由器，吞吐量在2 5 g b p s 4 0 g b p s 之间的 路由器称为中档路由器，而将低于2 5 g b p s 的看作低档路由器。 按所处网络位置通常把路由器划分为“边界路由器”和“中间节点路由器”。 “边界路由器”是处于网络边缘，用于不同网络路由器的连接；而“中间节点路 由器”则处于网络的中间，通常用于连接不同网络，起到一个数据转发的桥梁作 用。由于各自所处的网络位置有所不同，其主要性能也就有相应的侧重，如中间 节点路由器因为要面对各种各样的网络。 从结构上可以把路由器分为“模块化路由器”和“非模块化路由器”。模块 化结构可以灵活地配置路由器，以适应企业不断增加的业务需求；非模块化的就 只能提供固定的端口。通常高端路由器为模块化结构，低端路由器为非模块化结 构。 2 3 路由选择协议 所谓“路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作，而 o 基丁a r m 9 的无线路由器设计开发 路由器，正是执行这种行为动作的机器，选择通畅快捷的近路，能大大提高通信 速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而 让网络系统发挥出更大的效益来。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数 据帧寻找一条最佳传输路径并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选 择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。 2 3 1 路由选择的原理和要求 在同一个局域网内，两台计算机或通信节点只是把分成帧的数据放到传输介 质上就可以通信，但在互联网内，两台计算机或通信节点往往被不知数量的网络 硬件和传输设备分开，所以在它们之间进行通信就需要通过互联网识别一条到达 目的的路径，即由路由器选择协议进行计算并为路由器提供它所需要的所有关于 网络的信息。 当即子网中的一台主机发送口分组给同一口子网的另一台主机时，它将直 接把口分组送到网络上，对方就能收到。而要发送给不同口子网上的主机时， 它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把口分组送给该路由器，由路由器 负责把分组送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把m 分组送给 一个称为“缺省网关( d e m l tg a t e w a y ) ”的路由器上。“缺省网关”是每台主机上的一 个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的口地址。 路由器转发m 分组时，只根据口分组目的口地址的网络号部分。选择合适 的端口，把毋分组发送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是 目的子网，如果是，就直接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个 路由器来传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送不知道往哪儿传送的m 分组。这样，通过路由器把知道如何传送的口分组正确转发出去，不知道的m 分组送给“缺省网关”路由器，这样一级级地传送，p 分组最终将送到目的地，送 不到目的地的口分组则被网络丢弃了。 目前t c p 口网络，全部是通过路由器互连起来的，h l t 锄e t 就是成千上万个 口子网通过路由器互连起来的国际性网络。这种网络称为以路由器为基础的网 络( r o u t c r b 船c d n e m o r k ) ，形成了以路由器为节点的“网间网”。在“网问网”中，路 由器不仅负责对口分组的转发，还要负责与别的路由器进行联络，共同确定“网 闻网”的路由选择和维护路由表。 路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路 径，由路由选择算法来实现。由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法， 要相对复杂一些。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信 息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法。路由选择算法将收集到 第二章路由器理论基础 的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站( n c x t h o p ) 的关系告 诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络 的拓扑变化，并由路由器来决定晟佳路径。这就是路由选择协议u t i i l gp m t o - c o l l 。 转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判 明是否知道如何将分组发送到下一个站点( 路由器或主机) ，如果路由器不知道如 何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下 一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端 口上。这就是路由转发协议( r o u t e dp r o t o c 0 1 ) 。 路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念，前者使用后者 维护的路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。 对于常用的路由选择算法，要求考虑以下几个方面： 1 ) 正确性：能准确、迅速地传递分组 2 ) 简单性：路由算法尽量简单易行，实现开销小 3 ) 健壮性( 收敛性和灵活性) ：能迅速适应网络拓扑变化( 节点、线路故障等) 和通信流量变化 4 ) 稳定性：算法应该可靠，不管运行多久，不管网络负荷如何，都要趋于 稳定和正确 5 ) 公平性：算法应对用户平等，保证所有节点都有机会传送数据( 除了少数 用户有高优先级外) 6 ) 最优性：使节点、线路利用率最高，能提高网络总吞吐量 2 3 2 路由选择协议分类 路由器通常以两种最基本的路由选择类型进行工作：静态路由选择和动态路 由选择。静态设置的路由器不能发现路由，只能使用由网络管理员定义好的路由 来转发分组，它们缺乏与其它路由器交换路由选择信息的机制；动态路由选择协 议可以发现路由，然后把分组( 或数据报) 转发到那些路由上1 1 ”。 1 静态路由选择 由管理员预先根据网络链接情况手工设置好，路由器从预先设置好的端口把 分组转发出去。当目标地址和路由器端口之间的关系配置好以后，就不再需要路 由器去试图发现路由或交流关于路由的信息。除非网络管理员干预，否则静态路 由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变做出反映，一般只适用于网络 规模不大、拓扑结构固定的网络中，在这种情况下，静态路由选择是最高效的路 由选择机制，因为它不用为试图发现路由或与其他路由器通信而消耗带宽。 1 2 基丁删9 的无线路由器设计开发 静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最 高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。 但是静态路由选择也有其缺点： ( 1 ) 管理员必须真正地了解所配置的互联网络，以及每台路由器应该如何正 确的连接以正确配置这些路由。 ( 2 ) 如果某个网络加入到互联的网络中，管理员必须在所有的路由器上人工 添加对它的路由。 ( 3 ) 对于大型网络，这种方法几乎不可行，因为静态路由会导致巨大的工作 量。 2 动态路由选择【1 刘 ( 1 ) 距离矢量路由选择 距离矢量路由选择算法也叫贝尔曼一福特算法，该算法定期给直接相邻的网 络邻居传送它们路由选择表的副本，每个接收者将一个距离矢量加到表中，并转 发给它的邻居。这个过程在直接相邻的路由器之间以全向的方式进行，这一步步 的过程导致了每个路由器都能了解其他路由器的情况，并且形成了关于网络“距 离”的累积透视图。然后这个透视图用来更新每个路由器的路由选择表，完成之 后，每个路由器都大概了解了关于网络资源的“距离”信息。它并没有了解其他 路由器任何专门的信息或网络的真正拓扑。 距离矢量路由选择协议简单、容易配置、维护和使用，因而它们很适合非常 小的网络，这些网络没有或者即使有也是很少的冗余路径，它们也没有严格的网 络性能要求。如路由选择信息协议( r 口，r o u 咖gi i i f 0 m l a t i o np r o t o c 0 1 ) 就是使用单 个距离度量来决定任一给定分组的下一个最佳路径。 距离矢量路由选择的缺点：周期性地发布路由表，带来不必要的流量，路由 器不清楚整个网络的拓扑，只知道和自己相连的网络情况，对网络变化收敛速度 慢，存在路由环路的问题。 ( 2 ) 链路状态路由选择 链路状态协议也叫最短路径优先协议或分布式数据库协议。链路状态路由选 择所进行的工作就是让网络中的路由器告知该网络中其它路由器哪个与它相邻 最近。所有的路由器都不会将整张路由表全部发布出去，它们只发布其中与相邻 路由器相关的部分。这样相邻路由的信息被不断地积累，相邻路由的信息列表向 每一个能够对该协议作出回复的路由器进行广播，即信息扩散式广播，它意味着 向所有邻近的路由器发送信息，而后者又依次向与自己相邻的路由器传送信息， 依次类推，过不了多久，网络上所有的路由器都将会得到该信息。无论何时，只 要网络中与路由相关的信息发生变化，相邻路由信息就会被刷新。通过系统地组 第二章路由器理论基础 织其它路由器信息的方法，每个路由器都能够获得网络中各方面的信息，所以它 能够计算出连接到任何个目的网络主机的最佳路径。 链路状态协议的步骤如下： 步骤1 ：每台路由与它相邻的路由器建立联系，这种联系叫做邻接关系。 步骤2 ：每台路由向每个邻居发送链路状态通告( l s a ) ，有时也叫链路状态 报文( l s p ) 。每台链路都会生成一个l s a ，并放到一个l s d b ( 链路状态数据库) 中，而且所有路由器的l s d b 中的内容都是一样的，l s a 用于标识这条链路状 态、路由器接口到链路的代价度量值以及链路所连接的所有邻居。每个邻居收到 公告后要依次向它的邻居转发这些通告( 即泛洪) 步骤3 ：路由器将链路状态数据库转变为一张带权有向图，即是对整个网络 拓扑的真实反映。每个路由器在图中以自己为根，使用s p f ( 最短路径优先) 算法， 得出自己到达图中每一个节点的最佳路径，生成路由表。 常用的链路状态协议有：口开放式最短路径优先0 s p f 、c l n s 或口i s o 的 中介系统i s i s 、d e c 的d n a 阶段5 、n o v e l l 的n e m a r e 链路服务协议n l s p 等。 链路状态路由协议的优点：路由器不周期性发布路由表，只在网络变化时才 发布路由表，而且只发布变化信息，网络流量小。路由器知道整个网络的拓扑结 构，对网络变化收敛速度快。无路由自环的问题。 在利用链路状态方法进行路由选择中，很少有致命的缺点。尽管有这些特点 和灵活性，它仍然存在两个问题： 1 1 在初始的发现过程中，链路状态路由选择协议可能将泛滥网络的传输设 施( 由一点同时向多个方向发送) ，因而大大降低了网络传输数据的能力。这个泛 滥过程导致性能的降低虽然是暂时的，但可能非常值得注意。 2 1 链路状态路由选择对内存和处理器的要求都比较高。 ( 3 ) 混合路由选择 平衡混合路由选择协议使用距离矢量度量，但强调比传统的距离矢量协议更 精确的度量，它们还比距离矢量路由选择协议会聚更快，却又避免了链路状态更 新的负担。平衡混合路由选择是事件驱动的，而不是定时驱动的，因而把带宽都 留给真正的应用。尽管存在“开放”的平衡混合协议，但这种协议形式几乎专门 与单个公司( c i s c o 系统公司) 的专用产品有关，它的协议( 增强型内部网关路由选 择协议e i g r p ) 结合了距离矢量和链路状态路由选择协议的优点，但它不易和常 规协议归于一类。 ( 4 ) 无线路由协议 随着近年来计算机和无线通信技术的发展，移动无线计算机技术得到了越来 越广泛的普及和应用。由于不再受到线缆铺设的限制，配备移动计算机设备的用 1 4 基丁a r m 9 的无线路由器设计开发 户能够方便而自由地移动，并可以与其他人在没有固定网络设施的情况下进行通 讯。对于这样的情况，他们可以组成一个移动无线网络。移动的无线网络是一个 无线移动路由器( 及其连接主机) 组成的自主系统。该系统能够随机移动，可自动 适应网络拓扑更新，甚至不需要任何骨干网或者网络基础设施。 除了移动无线网络外，最近也出现了越来越多的固定无线网络的商业应用。 其中一个典型的例子是“社区无线网络”。它用于为先前没有因特网宽带接入的 社区提供接入。在这些固定“社区无线网络”中，每一个无线路由器不仅为其用 户提供因特网接入，并且是这个网络基础结构中的一部分睁数据在无线网络 中无线路由到其目的地。“社区无线网络”概念在美国等发达国家非常流行在 中国还处于开发阶段。 在现实生活中，也有混合型的无线网络存在：网络中一部分网络路由器是移 动的，而其他网络路由器是固定的。 无论是哪种情况( 移动或固定或混合) ，无线网络都有一些显著的特性，例如： 高动态性，智能性，端对端最佳路径选择，多跳性，通常带宽有限和计算能力不 足。无线网络的高动态性的原因有两个：第一，路由器本身可能移动( 如在移动 或混合无线网络中) ，并造成网络拓扑结构的快速变动。第二，即使路由器本身 不移动( 如在固定无线网络) ，由于干扰、地理和环境等因素，无线电链路的质量 仍可能发生快速变化。从这些特性可以知道，完备的无线网状网路由协议必须具 备以下特点： 分布式操作 快速收敛( 保证更快的移动) 可扩展性 适用于大量的小型设备 只占用有限的带宽和计算能力 主动式操作( 减少初始延迟) 在选择路由时考虑无线电链路的质量和容量 避免环路 安全性等 无线网络的路由可分为两大类：第一类是主动式路由协议( 或路由表驱动的 路由) ，包括d s d v 路由( d e s t i n a t i o n s e q u c i l c c dd i s t a n c e - v i o rr o u t i n 曲， c g s r ( c 1 i l s t 盯h e a dg a t e w a ys w i t c hr o u t i n 曲和、v r p ( 1 1 1 e w i r c l e s sr o u 血玛p r o t o 砌) 等。第二类是反应式路由协议，它是源节点触发的按需路由，包括d s r ( d y i l a n l i c s o 山c er o u t i n g ) ，a o d v ( a d h o co n d e l l l a n dd i s t 锄c e 、，k t o rr o u t i n 曲和 t o r a ( t e ! i i l p o r a l i yo r d e r e dr o u t i n ga l g o t h m ) 等1 1 5 】。 第一二章路由器理论基础 主动式路由协议又称先验式路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的路 由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以准确 地反映网络的拓扑结构：源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的 路由，这类路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应无线网络要求， 如通过修改路由信息协议( r 口) 得到的目的节点序列距离矢量协议( d s d v ) 。 d s d v 协议通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生，采用时间驱 动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路由 表，其中包括所有有效信宿点、路由跳数、信宿路由序列号等信息，信宿路由序 列号用于区别新旧路由以避免环路的产生。每个节点周期性地将本地路由表传送 给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近点，当无 节点移动时使用间隔较长的大数据包( 包括多个数据单元) 进行路由更新；邻近节 点收到包含修改的路由表信息后，先比较信源k 信宿路由序列号的大小，信宿 路由序列号大的路由将被采用，而信宿路由序列号小的路由则被淘汰，若相同， 则采用最佳制式的路由( 如最短路径) 。 a o d v 路由协议中节点发信息时，先在路由表中查找路由，有则按照路由发 送信息，没有就进行路由发现过程，节点广播路由请求包( i 汛e q ) 给自己所有的 邻节点，邻节点在接收到也q 后，先在自己的路由表中查找是否有到目的节 点路由，如果有则将路由信息写入砌嗵p 包( 路由回复包) 发给源节点；如果没有， 再将r r e o 转发给自己所有的邻节点，以此类推，直到到达目的节点或中间某 个节点知道到达目的节点的路由。如果某发起路由请求的源节点移动了，它能够 再次发起一个路由发现过程，以找到到达目的节点的新路由。如果沿着路由的某 个节点移动了，在移动节点的“上游”邻节点( 设为a ) 注意到此节点的移动，a 节点会传播一个链路断开信息给a 节点的每一个有效的“上游”节点通知它们 删除路由表中的对应无效路由。这些邻节点依次传播这个链路断开信息给“上游” 节点，一直达到源节点。源节点会再次发起路由发现过程。 最近一项新的无线路由协议阿德利亚的自适应无线路由( a w r ，a d a p t i v ew i r e l e s s