嵌入式学习资料之基于ARM9的嵌入式网关的研究

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,嵌入式学习资料之基于,ARM7,的,GPRS,无线,VPN,路由器设计,引言,ARM,简介,GPRS,简介,硬件部分,设计思路,硬件设计,硬件连接,软件部分,uClinux,的移植,PPP,应用程序,IPSec,应用程序,连接方法及应用,总结,近年来蜂窝式移动通信系统

2、在中国的发展非常迅速,不仅给用户带来了方便快捷的语音通信服务,而且还能提供灵活的数据通信服务。,本文提出了一种新型的基于,arm7,的嵌入式设备,GPRS,无线,VPN,路由器的设计方法,使得原先使用有线通信系统的各种业务终端设备能够非常方便地接入到,GPRS,网络中,利用无线移动网络提供的数据服务来进行数据通信。,引言,ARM(Advanced RISC Machines),既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。,1991,年,ARM,公司成立于英国剑桥,ARM,公司是专门从事基于,RISC,技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身

3、不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从,ARM,公司购买其设计的,ARM,微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的,ARM,微处理器芯片进入市场。,ARM,微处理器目前包括下面几个系列,ARM7,系列、,ARM9,系列、,ARM9E,系列、,ARM10E,系列、,SecurCore,系列、,Intel,的,Xscale,以及,Strongarm,。它们共同构成了当今嵌入式领域的主流微处理器。,嵌入式学习资料之,ARM,简介,GPRS(General Packet Radio Service),是通用分组无线业务的简称

4、,是在,GSM,基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的,GSM,比较,GPRS,在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势,:,通过多个,GSM,时隙的复用,支持的数据传输速率更高,理论峰值达,115kbps;,不同的网络用户共享同一组,GPRS,信道,但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样,通过多用户的业务复用,更有效地利用无线网络信道资源,特别适合突发性、频繁的小流量数据传输,很好地适应数据业务的突发性特点,;GPRS,计费方式更加灵活,可以支持按数据流量来进行计费,;,与无线应用协议,(WAP),技术不同,GPRS,能够随时为用户提供透明的,IP

5、,通道,可直接访问,Internet,中的所有站点和资源,;,采用信道复用技术,每一个,GPRS,用户都能够实现永远在线。,嵌入式学习资料之,GPRS,简介,无线路由器电路板通过无线通信模块连接,GPRS,移动网络,通过以太口连接内部终端设备或者内部局域网。无线路由器具备网络路由功能,能够在两个网络之间转发数据。各种终端设备发出的数据通过以太口被处理器接收,处理器对数据进行相应处理后,(,例如加,/,解密,),再通过串行口发送给无线通信模块,由它转发到,GPRS,网络中。同理,反向的数据经过相反的路径最终送回终端设备。,嵌入式学习资料之设计思路,嵌入式处理器采用三星公司的,S3C4510B,它

6、是基于以太网应用系统的高性价比的,16/32,位,RISC,微控制器,内含一个由,ARM,公司设计的,16/32,位,arm7TDMI RISC,处理器核。通过,GPRS,网进行数据传输需要使用,GPRS,模块。目前,GPRS,模块一般是指带有,GPRS,功能的,GSM,模块,模块通过外接天线与蜂窝小区基站通信,收发无线数据。本设计中,GPRS,模块采用,Wavecom,公司的,W ISMO Quik Q2400,系列,.,其他各部分基本功能描述如下,:,嵌入式学习资料之硬件设计,串行接口电路用于,S3C4510B,与,GPRS,模块以及其他应用系统进行短距离双向串行通讯,;,复位电路可完成系

7、统上电复位和在系统工作时用户按键复位,;,电源电路为整个系统提供工作所需的电压,包括,5V,3.6V,以及,3.3V;10MHz,有源晶振为系统提供工作时钟,;FLASH,存储器可存放已调试好的应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等,;SDRAM,存储器作为系统运行时的主要区域,系统及用户数据、堆栈均位于,SDRAM,存储器中,;10M/100M,以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道,;I2C,存储器可存储少量需要长期保存的用户数据,.,嵌入式学习资料,完整的硬件连接图如图,1,所示,嵌入式学习资料之硬件连接,在此无线路由器中使用的操作系统是,uClinux,它是专

8、门应用于没有,MMU,的微控制器上的操作系统。,uClinux,操作系统中已经内嵌了,TCP/IP,网络协议的实现代码,在内核中设置,“IP,转发,”,就能实现静态路由功能。为了实现拨号登录移动网络以及,VPN,的功能,则需要用到,2,个网络应用程序,:PPP,应用程序和,IPSec,应用程序。图,2,是整个系统的软件结构层次图。,嵌入式学习资料之软件部分,嵌入式学习资料,图,2,软件结构层次图,嵌入式学习资料之,uClinux,的移植,PPP,应用程序用来通过无线通信模块拨号登录移动网络,登录过程遵循,PPP(Point-to-Point Protocol),通信协议。目前,uClinux,

9、操作系统中已包含的多种应用程序中有一种实现,PPP,协议的程序,pppd,只需要根据无线移动网络通信的特征,修改,pppd,源代码中的部分配置参数,就能够得到需要的,PPP,应用程序。以下是进行拨号登陆移动网络的脚本程序,:#!/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,嵌入式学习资料之,PPP,应用程序,defaultroute,novj

10、,nobsdcomp,novjccomp,nopcomp,noaccomp,noauth,其中用来实现拨号和挂断的脚本,gprs-connect-chat,和,gprs-disconnect-chat,分别如下,:gprs-connect-chat#!/bin/sh exec/usr/sbin/chat,TIMEOUT 5,ECHO ON,ABORT nBUSY r,嵌入式学习资料,ABORT nERROR r,ABORT nNO ANSWER r,ABORT nNO DIALTONE r,ABORT nR INGING rnrnRINGING r,SAY Press CTRL-C to cl

11、ose the connection at any stage!,SAYndefining PDP context.n,+,ATH,OK AT+CGDCONT=1,IP,cmnet ,OK ATDT3 993 3 3 1#,TIMEOUT 10,SAY nwaiting for connect.n,CONNECT,嵌入式学习资料,SAYnConnected.,SAYn If the following ppp negotiations fail,n,SAYtry restarting the phone.n gprs-disconnect#!/bin/sh/usr/sbin/chat,TIME

12、OUT 5,ECHO ON,ABORT NO CARR IER,ABORT ERROR,ABORT NO DIALTONE,SAY nSending break to the modem n,dd+d d,ATH,OK,SAYnPDP context detached n,嵌入式学习资料,IPSec,应用程序用来在路由器上建立基于,IPSec(IP Security),协议的虚拟专用网,VPN(Virtual PrivateNetwork),IPSec,是,IETF(Internet Engineer TaskForce),制定的安全标准,它把几种安全技术结合在一起形成了一个较为完整的体系。它

13、通过对数据进行加密、认证、完整性检查来保证数据传输的可靠性、私有性和保密性。,IPSec,提供,IP,层的安全性,由于所有支持,TCP/IP,协议的主机进行通信时都要经过,IP,层的处理,所以提供了,IP,层的安全性就相当于为整个网络提供了安全通信的保障。,IPSec,由认证头,AH(Authentication Header),、安全封装载荷,ESP(Encap sulated Security Payload),和密钥管理协议组成。,IPSec,应用程序的设计就是将,IPSec,协议用计算机语言代码来实现。,uClinux,操作系统中的,FreeSWAN,应用程序就是用来实现,IPSec,

14、协议的一种公开源代码软件,通过对相关部分的修改和配置,就可以在无线路由器上运行。最新版本的,uClinux,中已经包含了,FreeSWAN1.97,。,嵌入式学习资料之,IPSec,应用程序,对,FreeSWAN,的配置主要是对,/etc/ipsec.conf,和,/etc/ipsec.secrets,这两个文件进行相应的编辑。,/etc/ipsec.conf,中包含了对应不同连接的相关配置信息,而,/etc/ipsec.secrets,中则包含了,RSA,密钥对以及预共享秘密等用来进行认证的密钥信息。在无线路由器上执行,#ipsec showhostkeyleft,以获得该主机的,RSA,公

15、钥,然后编辑,/etc/ipsec.conf,增加了一个名为,“net-net”,的新连接。,conn net-net left=x.x.x.x,填入无线路由器拨号所获得的对外,IP,地址,leftsubnet=192.168.1.0/24,无线路由器网关保护子网的,IP,地址范围,leftrsasigkey=0s1LgR7/oUM.,将刚才得到的,left RSA,公钥填入,right=x.x.x.x,填入,VPN,服务器的对外,IP,地址,rightsubnet=192.168.5.0/24,另一方保护的子网,IP,地址范围,rightrsasigkey=0sAQOqH55O.,将,VPN

16、,服务器的,right RSA,公钥填入,auto=add,启动时并不自动建立连接双方重新启动,ipsec,后,该连接就被,Pluto,加载,并做好建立连接的准备了。在无线路由器上执行,#ipsec autoup net-net,即可看到一系列的连接建立过程。,嵌入式学习资料,无线路由器对终端设备提供两个接口,分别是以太网接口和,RS-232,串行接口。无线路由器中的路由软件将来自设备的数据自动转发到,GPRS,网络,或者接收来自,GPRS,网络的数据并转发给设备。终端设备只要通过以太网口或,RS-232,串行口连接到无线路由器,并将默认网关设置成无线路由器的,IP,地址,就可以接入到,GPRS,网络。,嵌入式学习资料之连接方法及应用,图,3,网络规划和设计图,使用通信专线将移动网络与行业的数据中心相连,;,在数据中心放置,VPN,服务器,与各网点的无线路由器进行,VPN,连接,;,修改现有网络中各设备的网络配置,利用移动网络进行数据通信。其适用场合包括,:,银行,:,营业网点、,ATM,机、,pos,机,;,医院,:,医保中心联网、流动救护车,;,保险,:,保险公司网点联网,;,超市