針對目前SOHO路由器設計方案難以滿足高速接入網用戶要求和存在系統穩定性方面的不足，以嵌入式Linux操作系統為基礎，提出一種新的 SOHO（Small Office and Home Office）路由器設計方案，有效地提高了系統的穩定性和安全性。
0 引言
隨著通信技術、網絡技術的迅速發展，大量網絡設備接入網絡，互聯網用戶數量正以幾何級數增長。研究表明，IPv4 地址空間將在2011 年前耗盡，因此IPv4 地址資源非常緊缺。SOHO 路由器利用私有網絡IP 地址有效地緩解目前 IP 地址短缺的危機，為公司、家庭等小型局域網提供高效、廉價的共享上網方案。當前SOHO 路由器設計，采用
ARM7TDMI+μClinux 設計架構，ARM7 內核微處理器工作頻率為50M 左右，而以太網控制芯片工作頻率一般為100M，處理器速度難以滿足高速接入網用戶要求;μClinux 操作系統，不具有內存保護機制，任何程序都有可能導致內核崩潰，系統穩定性較差。本文采用ARM920T 內核微處理器，工作頻率200M，足以滿足高速接入網用戶要求，它具有先進的MMU 體系結構，支持WinCE、EPOC32、Linux 操作系統。Linux 操作系統，具有內存保護機制和強大的網絡控制功能，能防止惡意程序對系統的破壞并實現*濾防火墻，有效地提高了系統的穩定性和安全性。
1 SOHO 路由器原理
路由器有位于網絡中心的核心路由器、連接企業級網絡的企業路由器以及把家庭或小單位用戶接入網絡的 SOHO 路由器。SOHO 路由器能夠實現自動配置和基本數據包路由、過濾功能。從嚴格意義上來講，SOHO 路由器并不能完全稱之為路由器，它只實現部分傳統路由器的功能。SOHO 路由器采用NAT（Network Address TranslaTIon）轉換技術，把局域網內部私用有IP 地址轉換成一個合法的公網IP 地址，使私有網絡中多臺主機共享一個合法的 IP 地址訪問因特網。
本文利用 Linux 內核支持IP Masquerade（IP 偽裝）技術實現NAT 轉換，實現多臺主機共享訪問因特網。IP Masquerade 工作原理：客戶機將實現IP Masquerade 的Linux 機器設置為缺省網關，當IP Masquerade 的Linux 機器收到客戶機的數據包時，對其進行改寫，將源地址替換為自己的IP 地址，將源端口號換成一個新的端口號，并且對該過程進行記錄;當接收到響應數據包時，如果其端口號正是先前所指定的端口號則再對該數據包進行改寫，將其目的IP 地址及目的端口號替換為原來記錄的客戶機IP 地址和端口號，然后再發送給客戶機。
2 系統硬件設計
系統以 S3C2410X 微處理器為核心，外擴存儲器、以太網控制器、交換控制器、配以必要的調試接口、電源電路和時鐘發生電路構成，硬件結構框圖如圖1 所示。
（1） 微處理器與存儲系統
S3C2410X 是SAMSUNG 公司開發的一款低價、低功耗、高性能應用于PDA、Internet設備的微處理器，工作頻率200M，能滿足高速處理要求。系統擴展了1 片64MB NANDF1ash 芯片和2片SDRAM 芯片，NAND F1ash 芯片中存儲Bootloader 引導程序和Linux 內核，系統上電復位后從中執行初始化代碼。
?。?） 以太網控制芯片
DM9000 是一款高性價比以太網控制芯片，具有通用處理接口以太網MAC 控制器，能與10Base-T 的UTP3/4/5 和100Base-T 的UTP5 接口連接，滿足高速接入網要求，也支持通過MII 接口與其它MII 接口的收發器互聯。
?。?） 交換控制芯片
RTL8305S 是臺灣瑞昱公司最新設計的5 端口10/100Mbps 高速以太網絡交換控制芯片，五個端口分成三個組（X 組，Y 組，第五端口），可通過相關引腳靈活配置;集成了5個MAC（媒體存取控制器）、5 個實體層收發器、1M SRAM 和1K MAC 地址記憶區，有效地減少查表時間和轉儲時間，適用于高速局域網交換器;每一個端口均可支持100Mbps的100BASE-TX 高速以太網傳輸或10Mbps 的10BASE-T 的以太網傳輸。
?。?） 系統實現
S3C2410X 微處理器通過系統總線連接FLASH和SDRAM構成存儲系統，系統上電后，微處理器從FLASH 中讀取初始化程序，SDRAM 為程序運行和數據處理和轉發提供臨時存儲空間。以太網控制芯片DM9000，經單端口隔離變壓器和RJ45 接口與互聯網相連。DM9000 通過MII（獨立媒體接口）與交換控制芯片RTL8305SC 的PORT4 口相連，RTL8305SC 經過4 端口隔離變壓器和四個RJ-45 接口連接局域網集線器，交換機或電腦，進行數據交換或通過微處理器控制與廣域網連接。
DM9000 與S3C2410X、RJ45 接口電路如圖2 所示，DM9000E 芯片的引腳INT 與S3C2410X 芯片的外部中斷信號EINT14 相連，S3C2410X 片選信號nGCS4 和地址線MA2分別連接DM9000的AEN 引腳和CMD 引腳。SA6 到SA0 對應地址總線，而SA9 與SA8引腳設置為高電平，SA7 引腳設置為低電平，用來片選DM9000;3C2410X 的nOE 引腳連接DM9000 的讀引腳IOR#，nWE 引腳連接DM9000 的寫引腳IOW#，并將S3C2410X 數據線MD［0..15］與DM9000 的數據線SD［0..15］連接，實現數據傳輸。將 RTL8305S 第5 端口設定為一個MII 接口與以太網控制芯片DM9000R MII接口相連，RTL8305S 與四端口隔離變壓器和RJ45 接口與圖2 類似。
3 系統軟件構建
軟件構建主要包括 Linux 操作系統移植和NAT 技術實現。
3.1 Linux 操作系統移植
（1） Bootloader 移植
Bootloader 是與系統硬件高度相關的初始化代碼，擔負著初始化硬件和引導操作系統的雙重責任。本文使用在嵌入式系統開發中應用最廣的引導代碼U—BOOT。移植具體步驟：1 針對目標平臺對各配置文件做相應的修改。2 建立相應地配置文件。3 修改U—BOOT的makefile 文件，在其中加入對目標系統的編譯支持，并運行以下命令$make clean、$makesmdk2410-config、$make all 生成目標文件。最后通過JTAG 接口將u-boot.bin 文件燒寫到Flash 的零地址，復位后就可以引導系統。
（2） Linux 內核構建、移植與根文件系統實現
1 修改makefile 文件。2 使用make manuconfig 命令來配置內核。3 使用make dep、makezImage 命令對內核進行編譯，得到內核壓縮鏡像文件zImage 件。4 Bootloader 引導程序通過以太網接口把Linux 內核移到目標系統的Flash 上。5 構建根文件系統。
3.2 Netfilter 框架分析與NAT 技術實現
Netfilter 是Linux2.4 內核實現數據*濾、數據包處理和NAT 功能的框架。它為每種網絡協議（IPv4， IPv6 等）定義一套鉤子函數（IPv4 有5 個鉤子函數），內核中任何模塊可以對協議中的鉤子函數進行注冊與掛接，這些鉤子函數在數據包流經協議棧時被調用，注冊后的模塊可以檢查、修改、丟棄數據包及指示Netfilter 將數據包傳入用戶空間隊列，進行異步處理。一個數據包按圖3 所示的過程通過Netfilter 系統。
數據包從左邊進入系統，進行IP 校驗后，數據包經過第一個鉤子函數NF_IP_PRE_ROUTING［1］進行處理;然后就進入路由代碼，其決定該數據包是需要轉發還是發給本機的;若該數據包是發給本機的，則該數據經過鉤子函數NF_IP_LOCAL_IN處理后傳遞給上層協議;若該數據包應該被轉發則它被NF_IP_FORWARD［3］處理;經過發的數據包經過最后一個鉤子函數NF_IP_POST_ROUTING［4］處理后，再傳輸到網絡上。
本地產生的數據經過鉤子函數NF_IP_LOCAL_OUT［5］處理后，進行路由選擇處理，然后經過NF_IP_POST_ROUTING［4］ 處理以后發送到網絡上。Netfilter 框架支持多種NAT，NAT 一般可分為源NAT 與目的NAT。源NAT 在數據包經過NF_IP_POST_ROUTING 時修改數據包的源地址，偽裝是一個特殊的SNAT，目的NAT在數據包經過F_IP_LOCAL_OUT 或NF_IP_PRE—ROUTING 時修改數據包目的地址。
本文利用 IPtables 實現IP 偽裝、Port Forward 端口轉發、ALG。IPtables 是一個在Linux2.4內核中基于Netfilter 框架的數據包選擇系統。地址轉換會導致許多對NAT 敏感的應用協議無法正常工作，而地址轉換應用網關（NAT ALG， Application Level Gateway），對載荷中的IP地址和端口號進行替換，從而實現對該協議的透明中繼。IPtables 要求數據包流經指定的規則表，其中設定的規則用于實現數據*濾，網絡地址轉換及數據包處理，從而實現多臺主機共享一個合法的IP 地址訪問因特網，并實現*濾防火墻。
4 結束語
本文作者創新點：提出了一種基于嵌入式 Linux 操作系統的SOHO 路由器設計方案。與現有設計方案相比，本文采用ATM9TDMI+Linux 構架設計SOHO 路由器，能滿足高速接入網用戶需求，具有更高地系統穩定性和用戶安全性。