張劍英，李宗為，張祥忠，李 金

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.中礦大華洋通信設(shè)備有限公司，江蘇 徐州 221116)

責(zé)任編輯:魏雨博

1 無線AP簡介

隨著無線通信需求的不斷提升，無線AP(Access Point)開始在生產(chǎn)生活、軍用、商用等領(lǐng)域中扮演越來越重要的角色。它通過IEEE802.3以太網(wǎng)接口與有線網(wǎng)絡(luò)連接，通過天線將網(wǎng)絡(luò)信號向四周進(jìn)行輻射，從而形成無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)，是連接以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁［1］。目前國內(nèi)外基于ARM的無線AP設(shè)計(jì)，大都存在指令不夠靈活、占用系統(tǒng)資源高等缺點(diǎn)［2］，本設(shè)計(jì)當(dāng)中提出的進(jìn)程移植方法，能夠有效地解決這些問題。設(shè)計(jì)無線AP的硬件構(gòu)成圖如圖1所示，外圍接口電路的搭建根據(jù)不同的應(yīng)用背景進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于核心CPU，使無線AP的功能從內(nèi)核的層面得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 無線AP物理組成框圖

2 無線AP的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無線AP基于ARM11和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在移植可用的內(nèi)核文件基礎(chǔ)上，結(jié)合VMware Workstation虛擬Linux系統(tǒng)軟件操作平臺，移植hostapd進(jìn)程。軟件開發(fā)平臺選用Linux的發(fā)行版Ubuntu，通過VMware Tools進(jìn)行主機(jī)和虛擬機(jī)之間文件的共享操作，將庫文件和進(jìn)程源碼共享在Linux環(huán)境下，通過交叉編譯器對hostapd進(jìn)程、運(yùn)行庫等進(jìn)行編譯，使其能夠跨平臺運(yùn)行而完成進(jìn)程等的移植操作［3］，設(shè)計(jì)過程中使用DNW串口終端作為人機(jī)交互的界面，進(jìn)行開發(fā)板啟動信息、燒寫進(jìn)度的查看和輸入指令等操作。常見的無線AP設(shè)計(jì)方法與本設(shè)計(jì)提出的方法對比情況如表1所示。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 S3C6410的開機(jī)引導(dǎo)機(jī)制

S3C6410 芯片使用了 ARM11 作為內(nèi)核［4－5］，其程序文件的燒寫方法與之前以ARM7或ARM9為內(nèi)核的芯片使用USB下載線分步燒寫系統(tǒng)文件的方法并不相同。首先需要使用SD卡作開機(jī)引導(dǎo)，如圖2，然后才能順利加載Bootloader，進(jìn)行內(nèi)核引導(dǎo)等操作。

表1 無線AP的一般設(shè)計(jì)方法與本設(shè)計(jì)提出的方法對比情況

圖2 S3C6410的開機(jī)引導(dǎo)流程

首次進(jìn)行程序的燒寫或需要改換系統(tǒng)時，需在上位機(jī)運(yùn)行相應(yīng)程序選擇引導(dǎo)文件，制作用于引導(dǎo)開機(jī)的SD卡。燒寫完成后，調(diào)整為Nand Flash啟動，從Flash加載系統(tǒng)。

3.2 無線AP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型

利用TCP協(xié)議完成服務(wù)器與客戶端之間的連接，將客戶端的IP信息與客戶請求等映射到服務(wù)器用戶空間。在圖3所示無線AP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程當(dāng)中，Socket作為應(yīng)用進(jìn)程與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的接口，通過socket()函數(shù)建立通信端點(diǎn)，并用bind()命令在端點(diǎn)綁定地址，服務(wù)器端調(diào)用listen()函數(shù)監(jiān)聽連接請求，當(dāng)受監(jiān)聽的端口接收到連接請求時，服務(wù)器開始創(chuàng)建數(shù)據(jù)收發(fā)線程。

圖3 無線AP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

3.3 hostapd 的移植

通過hostapd能夠使得無線網(wǎng)卡切換為master模式，實(shí)現(xiàn)AP功能，并且在Linux環(huán)境修改其配置文件可以設(shè)置無線網(wǎng)卡的各種參數(shù)，如頻率、信號等。hostapd的運(yùn)行需要libnl和openssl兩個庫的支持，所以首先進(jìn)行這兩個庫的移植。無線AP的實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 無線AP實(shí)現(xiàn)方式

3.3.1 移植 openssl庫

openssl是一個基于密碼學(xué)的安全開發(fā)包，對它的移植首先要在Makefile中指定交叉編譯器arm－linux－gcc，AR和ranlib使用相同的前綴，依賴libdl庫，INSTALLTOP自定義路徑/usr/local/arm/ssl/。編譯并安裝，可以在自定義的目錄下看到openssl被編譯成為了靜態(tài)庫。最后將該目錄lib子目錄下的內(nèi)容拷貝至開發(fā)板的/lib目錄。

3.3.2 移植 libnl庫

在Linux環(huán)境下進(jìn)行無線網(wǎng)卡的配置需要依賴libnl庫，它是為了方便應(yīng)用程序使用netlink接口而開發(fā)的一個庫。移植libnl庫需要注意很多細(xì)節(jié)問題，否則會導(dǎo)致編譯不成功，其中較為重要且易被忽略的地方有:對include子目錄中的netlink－local.h頭文件進(jìn)行修改并添加命令#include＜limits.h＞，需要定義ULONG_MAX數(shù)據(jù)類型等。然后配置安裝路徑并編譯，可在指定目錄下看到編譯后的結(jié)果。

安裝庫到指定的目錄下，將該目錄lib子目錄中的內(nèi)容拷貝至開發(fā)板的/lib目錄。

3.3.3 移植 hostapd 進(jìn)程

設(shè)計(jì)選用 hosapd－1.0，首先需要修改.config配置文件，使它定義的配置滿足需求。使CONFIG_DRIVER_NL80211=y，注釋其他的 CONFIG_DRIVER，選擇nl80211驅(qū)動并保存。在Makefile中分別指定ssl和libnl頭文件和庫文件的路徑，它們是之前剛剛編譯好的庫文件，hostapd的運(yùn)行需要這些庫的支持。添加如下代碼:

回到hostapd目錄執(zhí)行編譯，可在同一目錄下生成hostapd和hostapd_cli兩個可執(zhí)行文件，說明移植成功。將兩個可執(zhí)行文件拷貝到開發(fā)板上。

至此完成hostapd進(jìn)程移植，系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4 系統(tǒng)測試

在WLAN環(huán)境下，首先進(jìn)行IP地址和網(wǎng)關(guān)的設(shè)置，并與無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)包ping測試:

如圖6所示，無線網(wǎng)卡工作正常。

圖6 ping通網(wǎng)關(guān)(截圖)

然后對hostapd的移植結(jié)果進(jìn)行測試。如前所述，用固化程序或第三代碼在ARM中實(shí)現(xiàn)無線AP功能的方法，使用AP功能固件或用戶轉(zhuǎn)換卡，在RAM中轉(zhuǎn)換802.11b協(xié)議識別的AP代碼，CPU僅用于控制和管理，這樣雖然占用CPU資源很少，但缺點(diǎn)在于指令使用的范圍受到限制，無法做到如本設(shè)計(jì)中隨時手動輸入指令切換無線網(wǎng)卡工作模式這般靈活，直接在終端執(zhí)行指令:

可以看到串口輸出了版本信息和用戶操作實(shí)現(xiàn)的AP方式，說明hostapd移植成功，且進(jìn)程已能按要求運(yùn)行，如圖7所示。

圖7 hostapd運(yùn)行信息(截圖)

主機(jī)AP方式(或稱軟AP解決方案)，其軟件易修改的特點(diǎn)決定了它具有較強(qiáng)的靈活性，但軟件程序通過CPU運(yùn)行的代碼實(shí)現(xiàn)了幾乎所有的IEEE802.11b控制功能，同時主機(jī)AP方式附帶了路由、網(wǎng)橋等功能，導(dǎo)致它對CPU資源如時鐘、處理性能、操作系統(tǒng)等方面要求很高。相比之下，本設(shè)計(jì)中提出的無線AP實(shí)現(xiàn)方式，只是在CPU后臺開啟了一個進(jìn)程，且可以隨時關(guān)閉。表2為客戶端對服務(wù)器的數(shù)據(jù)包ping試驗(yàn)結(jié)果，客戶端在以服務(wù)器為原點(diǎn)、半徑3 m的圓形區(qū)域內(nèi)移動，從測試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時性很高，說明本設(shè)計(jì)方法對系統(tǒng)資源的占用很少，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表2 數(shù)據(jù)包ping測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文首先介紹了無線AP的工作原理和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后提出了一種基于ARM11的無線AP進(jìn)程移植方法，介紹了S3C6410芯片的開機(jī)引導(dǎo)機(jī)制，并結(jié)合VMware Workstation搭建了軟件開發(fā)平臺。通過與現(xiàn)有的幾種無線AP設(shè)計(jì)方法做出的對比，可以看出本設(shè)計(jì)具有指令靈活、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)。文中重點(diǎn)介紹對hostapd進(jìn)程以及其運(yùn)行庫的編譯下載，從最后給出的測試結(jié)果看到，成功在硬件平臺上移植了hostapd進(jìn)程，能夠使用指令靈活地切換工作模式實(shí)現(xiàn)AP功能，解決了現(xiàn)有方法存在的不足。

［1］趙義平.802.11n協(xié)議的研究與無線接入點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［2］黃智偉，鄧月明，王彥.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］蔡立三.基于ARM的無線AP的設(shè)計(jì)［D］.北京:中國科學(xué)院，2009.

［4］馬文強(qiáng)，章專.基于S3C6410的無線視頻傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011(10):96－98.

［5］郭巧云，許雪梅，李岸，等.基于ARM11的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010(8):1786－1788.