引言

　　對于一般的網絡用戶，他們能知道怎樣使用路由器來上網、玩游戲等就已經感到很滿足了，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，無法深入了解真正的技術實現過程以及相關的核心內幕。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，剖開其核心內臟。

　　1 什么是路由器？

　　互聯網是依靠路由器連接起來的，路由器是互聯網或者說IP網絡的核心設備。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物？

　　談到路由器的開發，我們就不免要談到“嵌入式”設備的開發，沒錯，通俗的說，路由器就是一種嵌入式產品。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、自動售貨機、醫療儀器、立體音響、自動取款機等。

　　用較為專業的話來表述的話，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部的程序部分來實現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市場已逐步趨向穩定，32位MPU代表著嵌入式技術的發展方向，正在加速發展。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內核的微處理器在市場上處于絕對的領導地位，因此追蹤ARM技術的發展趨勢顯得尤為重要。

　　路由器的開發通常都是基于32位處理器的，就通常的中低端路由器而言，在開發的配置上有多種選擇，比如有ARM9核心芯片+Wince操作系統、ARM7核心芯片+uClinux操作系統、DSP芯片+Vxworks操作系統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操作系統開發模式，以完整形象的實例為大家清晰講解路由器的技術實現過程。

　　我們為什么以SOHO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，需要上網獲取信息、收發郵件等。這些小型公司和家庭網絡用戶計算機的數目一般不多，網絡結構不復雜。功能和帶寬的要求不高。出于提高網絡性能、共享有限IP地址或節省上網費用等原因，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。不過由于技術的發展，ARM9系列的專用路由芯片的路由器也逐漸普及。

　　2 路由器宏觀介紹

　　我們可以形象的把嵌入式設備的開發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，比如我們介紹的開發小型SOHO路由器所使用的ARM7TDMI芯片等硬件環境，它是設備功能實現的硬件基礎，要實現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，比如我們所選擇的uClinux操作系統，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境支持。最上層自然就是應用程序層了，它是實現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過程簡單的匯總的話，莫過于如下內容：

　　首先先要知道SOHO實現的網絡功能，典型路由器應該具備以下功能：

　　支持PPPoE，固定IP上網；

　　DHCP動態主機配置協議；

　　網絡地址轉換（NAT）技術；

　　根據TCP，UDP的端口號（portnumber），IP的（協議號）protocolnumber，對IP地址進行簡單過濾的防火墻；

　　虛擬服務主機/端口映射（PortForwarding）技術；

　　支持一定數量的特殊應用程序；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：

　　2.1 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，通過硬件板的調試。

　　2.2 軟件方面

　　1、在分析uClinux內核源代碼的基礎上，對uClinux操作系統的內核裁剪。

　　2、完成BoaWeb服務器的配置，并對CGI腳本進行設計，完成動態網頁的功能。

　　3、對PPPOE的撥號進行配置實現。

　　4、針對Linux內核防火墻部分，運用IPtable工具進行防火墻規則操作。

　　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，要有大量的實踐經驗才能真正實現。做為門外觀奇的好學讀者，現在肯定有些不耐煩了吧，想要了解更多的更詳細的構造內容吧？那好，現在就可以開始我們真正的技術之旅了。

　　2.3 路由器工作原理

　　a 基本原理

　　要實現網絡中通信節點彼此之間的通信，首先必須給每個節點分配一個唯一的IP地址。路由器應該至少有兩個網絡端口，分別連接LAN或者WAN子網上，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子網的網絡號相同。不同的端口有不同的網絡號，對應不同的IP子網，這樣各子網中的主機才能通過自己子網的IP地址把要求發出去的IP數據報送到路由器上。

　　當路由器收到一份IP數據報后，首先要對該報文進行判斷，然后根據判斷的結果做進一步的處理。如果數據報是有效或正確的，路由器就根據數據報的目的IP地址轉發該報文：否則就把報文丟棄。如果這個數據報的目的IP地址與路由器直接相連的一個子網上，路由器會通過相應的接口把報文轉發到目的子網上去；否則會把它轉發到下一跳（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（RoutingPolicy）問題。路由表反映網絡的拓撲結構，一般一條表項應該包含數據報的目的IP地址（通常是目的主機所在網絡的地址）、下一跳路由器的地址和相應的網絡接口等，在網絡拓撲發生變化的時候，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。

　　選路機制實際上就是如何查找路由表，通過查詢路由表來決定向哪個方向轉發數據。一般來說，路由器首先搜索匹配的主機地址：如果沒有，再搜索匹配的網絡地址：最后搜索默認路由。一旦查到匹配的表項，路由器就會把數據從相應的接口發送出去。

　　路由器具備了上述各要素后，就可以完成數據轉發任務了。另外，路由器不僅負責對IP包的轉發，還要負責與別的路由器進行聯絡，共同確定互聯網的路由選擇和路由表的更新維護。

　　b SOHO路由器原理

　　當內部外算機部要計外外與Internet網絡進行通信時，各內部間通過私有IP地址進行通信的計算機必須把私有IP地址轉換成合法IP。這種網絡地址轉換技術稱為NAT（NetworkAddressTranslation，網絡地址轉換）。在一個實際的私有網絡中，NAT功能通常內建在路由器、防火墻或獨立的NAT設備之上，網絡中的主機將這些設備作為自己的默認網關。通過這樣的配置，每一臺內部主機發送往Internet的數據報就會送到具有NAT功能的設備中進行轉換。NAT是SOHO路由器的必備功能，它是為解決IPv4地址不夠分配的矛盾而產生的一個簡單高效的解決方案。它能將任何兩個地址域的地址進行轉換，使私有網絡中多臺主機共享一個合法IP地址訪問Internet。

　　嵌入式路由器硬件系統介紹1、硬件系統總體結構硬件結構是非常重要的部分，因為我們拆開一個路由器后首先看到的、所能看到的也就是硬件結構，我們就舉例簡單介紹一下硬件設計的各個部位的細節內容。

　　為了宏觀查看，我們給出交換式寬帶路由器的硬件設計實例圖一張。圖中主要分為兩部分：

　　ARM4510B部分和交換芯片RTL8305部分，前者主要見上半圖，后者為下半圖。還有電源及各自的復位電路。

　　ARM4510B部分中，中央處理芯片為帶有網絡接口的S3C4510B--16/32位RISC微控制器，根據嵌入式操作系統的運行需要，擴展了SDRAM存儲器和Flash存儲器。SDRAM存儲器由兩片4X1MX16位的HY57V641620HGT組成，作為嵌入式操作系統內核及應該程序運行的內存空間。Flash存儲器由一片1MX16位的SS139VF160組成，作為內核映像的存儲，并在嵌入式操作系統啟動時加載系統內核及程序。根據調試程序及燒寫Flash存儲器的需要，引出JTAG接口。根據顯示調試和運行信息的需要，提供了RS232接口。

　　交換芯片RTL8305部分中，提供4個LAN口（PORTO--PORT3）通過一四口的網絡隔離變壓器連接一個四口RJ45口，每個口可連接到10/10013aseT以太網，各端口之間有交換功能：還有一個WAN接口（CPORT4）通過一單口的隔離變壓器連接RJ45口。根據顯示連接速度、狀態和電源等需要，接出LED燈進行顯示。根據交換芯片的管理需要，提供一串行EEPROM24C01電路接口。根據交換芯片的主電源為2.5V.提供一個3.3V到2.5V的轉換器。

　　中央處理芯片通過MR（獨立媒體接口）接口與交換芯片RTL8035SB的PORT4的Mil接口相聯，將交換芯片的PORT4配置為物理層接收器。

　　當各部分路設外外計圖焊進外完外連外成外后外，外形外成外硬外件外外接外外，外外而外外接外之外后外，外就外可外以外作電為開發用的實驗硬件板了。下面就簡要介紹一下個硬件電路部分。