基于嵌入式Linux系统的3G/4G路由器设计——iptables nat 模式

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3G/4G路由器设计方案　　本路由器的设计是基于三个模块来实现的，分别为3G模块、WiFi模块和Linux硬件平台，如图1所示。3G模块的功能是利用运营商的无线数据卡进行PPP拨号，使得路由器能通过运营商网络连接至互联网。WiFi模块的功能是使得无线网卡工作在AP（Access Point）模式，并配置动态主机配置协议的脚本文件，来建立一个2.4 GHz的WiFi无线局域网。Linux硬件平台模块的功能主要有两个方面，一方面要支持无线网卡和无线数据卡的驱动，另一方面要通过嵌入式Linux系统中的iptables数据包过滤系统将无线局域网和3G/4G网络连通。智能终端等设备通过WiFi信道接人到该路由器所提供的无线局域网中，分配到一个IP地址之后，则通过该无线局域网的网关进行数据包的接收和发送，而该网关则通过3G/4G模块上的网络拨号接口来接收和发送数据包至3G/4G 网络，从而实现了该路由器的设计方案。

　　

　　图1 3G/4G路由器设计方案图

　　2. 3G/4G路由器硬件结构
　　根据3G/4G路由器设计方案，其硬件结构的三大模块分别采用深圳天谟公司生产的Devkit8500D评估板、华为公司的E392型无线上网卡和TP-Link公司的TL-WN821N型无线网卡。
　　Devkit8500D评估板的基本结构如图2所示。该硬件平台采用的是TI公司的DM3730微处理器。

　　

　　图2 终端硬件结构图

　　E392型无线上网卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片组，同时支持TD-SCDMA/WCDMA 的3G 网络标准和LTE-TDD/FDD 的4G 网络标准。目前，利用3G网络中已经部署升级的HSPA+技术，下行峰值速率可以达到21 Mbps，上行峰值速率可以达到5.76 Mbps;部分地区采用64QAM 调制技术和MIMO技术对HsPA+进行再次升级，下行峰值速率可以达到42 Mbps左右;而即将部署的4G网络，下行峰值速率可以达到i00 Mbps，上行峰值速率可以达到50 Mbps。
　　TL-WN821N 型无线网卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片设计的，采用MIMO技术和空频道检测技术，支持802.11n/b/g，性能稳定且能够提供最大300 Mbps的无线传输速率，完全满足智能终端等设备的带宽需求。
路由器Linux系统
　　3. 3G/4G路由器关键技术
　　3G/4G路由器是指利用WiFi的2.4GHz频段，组建一个无线局域网，并配置无线局域网的基本信息，通过Linux系统的 iptables将无线局域网接人到3G/4G网络中。其关键技术具体分为3G/4G 网络的接入、无线局域网的组建以及iptables的连通三个部分。
　　3.1 3G/4G网络的接入
　　该无线路由器利用E392型多模无线上网卡在嵌入式Linux系统中进行PPP拨号，分别接入到TD-SCDMA，WCDMA以及TD-LTE实验网中。其具体实现流程如图3所示。

　　

　　图3 3G/4G网络接入流程图

　　3.1.1 多模无线上网卡驱动加载
　　当一个新的USB设备接入到Linux主机中，主机首先会通过控制端点读入此设备的配置，接口和端点等信息，利用控制管道完成控制型传输，然后主机再对该设备进行枚举。枚举即读取该 设备的许多重要信息，其中最重要的是读取该设备的生产商识别码（VID）以及产品识别码（PID），将这两个识别码分别与USB内核中意存在的各个识别码进行匹配。若匹配成功，即的利用Linux系统的USB内核成功实现了 该设备的USB驱动的加载。
　　本设计方案中采用的嵌入式Linux系统的内核版本号为2.6.32，该内核中与USB设备的VID和PID号相关的源码存在 kernel/drivers/usb/serial/option.c中，修改该文件并添加本 终端设计方案中所采用的华为E392无线上网卡的VID和PID，过程如下：
　　# define HUAWEI_VENDOR_ID 0x12D1
　　# define HUAWEI_PRODUCT_E1446 0x1446
　　{USB_DEVICE_AND_INTERFACE_INFO（HUAWEI_VENDOR_ID，
　　HUAWEI_PRODUCT_E1446，0xff，0xff，0xff）}
　　然后配置嵌入式Linux系统内核中的Devices driver→usb support→usb Serial Converter Support选项，使得Linux系统内核支持USB串口转换，然后选择按模块重新编译内核，生成option.ko和usbserial.ko 驱动文件。最后加载这两个驱动文件并插上该多模无线上网卡，完成驱动加载。
　　3.1.2 终端模式转换
　　在3.1.1节中实现的是USB设备的加载，即Linux系统识别出无线上网卡为USB设备并能与之通信。而一般 USB无线上网卡设备都具有两个USB子设备模式，即usb-storage子设备模式和modern子设备模式。此时 Linux系统默认会将该设备识别为usb-storage子设备模式，需要通过USB设备的模式转换工具usb- modeswitch将USB设备的工作模式转换为modem模式，这样才能使得无线上网卡能够正常工作。
　　首先需要将usb- modeswitch工具移植至开发板，移植过程如下：
　　① 下载并解压usb-modeswitch一1.2.5.tar.bz2。
　　② 进入usb-modeswitch目录，修改Makefile，指定交叉编译器：
　　CC = arm-none-linux-gnueabi - gcc
　　$（PROG）：&（OBJS）&（CC） - o $（PROG）&（OBJS）
　　& （CFLAGS）… 。 - I/home/libusb- 0.1.12/instal1/inc1ude
　　&（LIB） … 。 - L/home/libusb- 0.1.12/install/lib
　　③ make。
　　将生成的usb_modeswitch二进制执行文件拷人Linux系统中，并修改usb_modeswitch目录下usb_mode- switch.conf配置文件，在该文件末添加该无线上网卡的VID设备号和其usb-storage子设备PID设备号，然后指定其modern子设备号。具体配置信息如下：
　　Default Vendor = 12D1
　　Default Product = 1446
　　Target Vendor = 12D1
　　Target Product = 1506
　　CheckSuccess = 20
　　HuaweiMode = O
　　通过命令usb_modeswitch - W - c usb_modeswitch.conf对无线上网卡进行USB设备的模式转换，转换成功后无线上网卡即工作在调制解调器模式下，同时可通过命令 ls/dev可以查看到Linux系统生成4个虚拟USB转串口设备，即ttyUSB0，ttyUSB1，ttyUSB2和ttyUSB3，可以通过这几个串口进行PPP拨号，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE实验网中。