固定网络与移动网络兼容的家庭网关的设计

摘  要： 阐述了一种固定网络与移动网络双网兼容的家庭网关的软、硬件设计与实现。首先介绍了家庭网关的功能及应用前景；然后介绍了以RTL8196C微处理器、以太网控制器、无线局域网接口卡RTL8192CE以及高通公司无线通信模块MSM6290为核心搭建的硬件架构；最后详细介绍了基于Linux操作系统的软件设计，并重点介绍了网关各应用进程并行运行机制以及网关多通信方式的设计与实现。
关键词： 家庭网关；RTL8196C微处理器；MSM6290无线通信模块；Linux操作系统
   　随着3G时代的到来，移动网络通信不断冲击着固网通信的王朝地位。移动网络的超灵活性使其无处不在，无论在偏远的山区还是在环境恶略的沙漠戈壁都能大显身手[1]。WLAN（Wireless Local Area Network）、WiMax、ZigBee等无线传输技术的日益成熟使得移动通信更是如虎添翼[2]。但信息时代的通信已经不仅仅是语音通信，多方的、多媒体的信息交互才是未来通信的主流[3]。如语音、视频、图像、数据等多种业务的创新及融合会成为未来通信业务层发展的方向[4]。与移动网络相比，固定网络能够提供稳定、高速、低成本的带宽，而带宽恰恰是业务创新的基础，没有海量的带宽资源，面向信息化的业务创新就无从谈起[5]。
　由此可见，移动网络的灵活性和固定网络的高带宽特性必将使这两种网络长期共存并最终走向融合。因此，本文设计并实现了一种能够使不同终端可以同时享受高质量的语音、视频、图像、数据等综合业务的固定网络与移动网络双网兼容的家庭网关。
1 功能及应用前景
1.1 功能
　固定网络与移动网络双网兼容的家庭网关具有以下功能：（1）为普通电话提供移动语音业务；（2）通过无线模块发起拨号建立传输通道，为具有接入能力的家庭终端提供2G/3G无线数据业务；（3）通过PPPOE（Point-to-Point Protocol Over Ethernet）拨号方式获取广域网IP地址，为具有接入能力的家庭终端建立接入Internet的传输通道；（4）两种接入广域网的方式可静态切换；（5）同时为不同家庭终端提供有线和无线两种接入局域网的方式。固定网络与移动网络双网兼容的家庭网关的应用模型如图1所示。
   
   1.2 应用前景
　电信网、广电网和因特网三网融合是未来中国通信业的发展方向。而业务融合恰恰是三网融合的重要切入点。同一终端能够同时为用户提供语音业务、视频业务以及数据业务是三网融合的最终目标。不难想象，一部高清电视既能看电视，又能登录网站下载电视列表；一部手机既能打电话，还可以同步收看电视直播、无线上网……此时，电视兼容电脑，手机涵盖电视。这样的业务模式已经成为未来网络的发展方向。
但就目前而言，国内三大电信运营商的移动业务资费是比较高的，因此，固网承载大数据流量的视频业务，而移动网络承载语音业务及小数据流量业务的融合方式也就应运而生。
　为不同网络间数据的互传提供桥梁，实现形形色色的家庭终端自由享受高质量、高性价比的融合业务，正是本文设计的固定网络与移动网络双网兼容家庭网关所能完成的任务。由此可见，本家庭网关的应用前景是十分广阔的。
2 硬件结构
　固定网络与移动网络双网兼容家庭网关的硬件结构由路由模块和无线模块两大模块组成，路由模块作为主控模块。基于网络数据处理与转发能力考虑，路由模块选用基于MIPS（Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages）架构的RTL8196C芯片作为主控芯片，外围电路主要包括存储系统（外扩4  MB SPI Flash和32 MB RAM）、以太网接口、无线局域网接口、与无线模块通信的USB接口、时钟系统、电源系统以及其他电路系统。系统内部结构如图2所示。
   
   　RTL8196C芯片在处理和转发大批量数据、图形图像方面有较强的优势，被广泛应用于网络设备。该芯片内部集成10/100 Mb/s以太网卡，作为家庭网关，百兆以太网卡目前已经足够使用。为与主控芯片配套使用，系统选用RTL8192CE作为无线接口卡以供WLAN用户接入。RTL8192CE是一款基于802.11n规范、集成度高、吞吐量大的MIMO（Multi-Input Multi-Output）单芯片，它拥有两条传输通道以及两个独立的射频模块，从而保证了长时间数据传输的连续性。系统选用高通公司MSM6290芯片作为无线通信模块，该模块主要支持的网络类型为WCDMA，这使得该芯片在3G无线通信领域拥有广阔的施展空间，它支持的频率范围包括2G GSM/GPRS/EDEG、850/900/1 800/1 900 MHz 4频以及3G UMTS 850/1 900/2 100 MHz 3频，理论上它支持上行传输速率为5.2 Mb/s，下行传输速率为7.2 Mb/s，由此可见该款芯片功能强大、支持频率范围广、上下行传输速率高，而且自身良好的USB接口保证了与主控芯片高效的数据交互。
3 软件设计
　作为嵌入式系统，优秀的硬件资源是系统强健的骨架，而同样优秀的软件资源则是整个系统的灵魂。首先，主控芯片要运行需要有合适的操作系统来支撑；其次，周边接口要运行需要有合适的驱动程序来保障；再次，一个应用系统要运行必须有诸多合适的应用程序来配合。
3.1 系统应用软件总体架构
　系统选用Linux操作系统来控制和管理各种软硬件资源，为了提高系统的运行效率，利用Linux对多进程机制的支持，将家庭网关的应用软件划分ATSERVER、DHCPS、DNS、PPP拨号、PPPOE拨号、Web以及语音通信7个并行进程。应用软件在Linux下使用C语言开发，总体设计框架如图3所示。
   
   
3.2 多进程并行运行机制
　对操作系统而言，诸多的应用程序只不过是一个又一个进程，而如何保证这些应用进程并发、高效、稳定地运行是本系统软件设计的重点。减少内核常驻进程的数量是提高系统整体性能的重要手段。基于这样的研发思路，本文设计了一个主控进程，其通过消息传递机制来统一管理、协调系统的各个应用进程。
主控进程所要完成的第一个功能是消息转发。各个应用进程可以看作是不同的消息客户端，而主控进程可以看作是消息服务器，两个消息客户端发消息时，这两个进程之间并不能直接通信，而是通过消息服务器进行消息转发。首先要创建消息服务器，而实际上它只是创建了一个Unix域套接字，该套接字绑定一个相应的文件，消息客户端通过绑定此文件来和消息服务器进行连接。将所有消息客户端的名称和对应的套接字一一对应，映射成一个链表，消息服务器便通过维护这张表来进行消息转发。这种消息传递的基本架构如图4所示。