基于ARM7的GPRS无线VPN路由器设计

　　1　概　述

    　　1.1 ARM简介
    　　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。
    　　1.2 GPRS简介
    　　GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,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。
    　　2　硬件部分
    　　2.1 设计思路
    　　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。
    　　2.2 硬件设计
    　　嵌入式处理器采用三星公司的S3C4510B,它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:
    　　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.
    　　2.3 硬件连接
    　　完整的硬件连接图如图1所示。
   
    　　图1 硬件连接图
    　　3 软件部分
    　　在此无线路由器中使用的操作系统是uClinux,它是专门应用于没有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。
关键字：ARM7 GPRS无线 VPN路由器

      
   
    　　图2　软件结构层次图
    　　3. 1　uClinux 的移植
    　　uClinux 的源代码和开发工具可以免费从http: //www.uclinux.org上下载得到。www.uclinux.org上定期为新推出的Linux内核推出相应的源码包。最新的版本为uClinux-dist-20040408.tar.gz,也可以从该网站上免费下载得到。这个源码包里包含了uCL inux -2.6.2、uCL inux-2.4.24、2.0.39、uClibc和已经移植到uClinux下的用户应用程序。tar xzvf uClinux-dist-20040408.tar.bz将其解压缩到/home/uClinux-dist下。另外还需要从www.uclinux.org/pub/uClinux/arm-elf -tools/上下载ARM 交叉编译器: arm-elf-tools-20030314.sh,执行以建立uClinux-ARM的交叉编译环境。为了使uClinux能顺利地在无线路由器上跑起来,需要针对此硬件平台对uClinux再进行修改。在/home/uClinux-dist/linux-2.4.x/include/asm-armnommu/下的hardware.h文件包含了S3C4510B片内特殊功能寄存器以及其他相关硬件信息的定义。可以在此对其进行修改。另外还可以在make xconfig的时候将vendor选为Samsung,并选中Customize Kernel Settings一项,之后可以在出现的System Type中对相关参数进行修改,主要包括系统的主时钟频率、FLASH和SDRAM的起始地址及大小等。最终通过编译即可得到无线路由器运行所需要的image.rom和image.ram。
    　　3. 2　PPP应用程序
    　　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
  　defaultroute
  　novj
  　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 ’ BUSY r’
  　ABORT ’ ERROR ’
  　ABORT ’ NO ANSWER ’
  　ABORT ’ NO DIALTONE r’
  　ABORT ’ R INGING r RINGING r’
  　SAY "Press CTRL-C to close the connection at any stage!"
  　SAY" defining PDP context. . . "
  　" " ’+ + + ’
  　" " ’ATH’
  　OK ’AT +CGDCONT = 1,"IP" , "cmnet" ’
  　OK ’ATDT3 993 3 3 1#’
  　TIMEOUT 10
  　SAY" waiting for connect. . . "
  　CONNECT" "
  　SAY" Connected. "
  　SAY" If the following ppp negotiations fail, "
  　SAY"try restarting the phone. "
  gprs-disconnect
  #!/bin/sh
  /usr/sbin/chat
  　TIMEOUT 5
  　ECHO ON
  　ABORT ’NO CARR IER’
  　ABORT ’ERROR’
  　ABORT ’NO DIALTONE’
  　SAY " Sending break to the modem "
  　" " ’dd + + + d d’
  　" " ’ATH’
  　" " OK
  　SAY" PDP context detached "
    　　3. 3　IPSec应用程序
    　　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。
    　　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 showhostkey---left,以获得该主机的RSA 公钥,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 auto---up net-net即可看到一系列的连接建立过程。
      
    　　4　连接方法及应用
    　　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。
   
    　　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、连锁店:M IS系统互连; 移动场所:电力抢修、治安警车等; 环保:现场监控、联网。
    　　5　总结
    　　本文较为详细地介绍了一种新型无线VPN路由器的设计方法。首先从硬件构造上进行剖析,提供了详细的硬件开发方案。然后重点阐述了软件设计方法,包括操作系统的移植,实现无线网络连接的PPP拨号程序以及实现VPN 的IPSEC应用程序。通过使用本文中所提出的方法,可以很好的满足很多行业的应用需求。