73049部隊(duì) 季 燁 仇賽杰

智能路由器的軟件架構(gòu)分析

73049部隊(duì) 季 燁 仇賽杰

現(xiàn)階段家用電器的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)智能時(shí)代，智能設(shè)備大有井噴之勢(shì)。無線路由器作為家庭互聯(lián)網(wǎng)的入口設(shè)備，更是不例外的踏入了智能時(shí)代。由于軟件控制是其智能的關(guān)鍵，本文重點(diǎn)在于論述其軟件系統(tǒng)架構(gòu)。分析智能路由器的軟件架構(gòu)特點(diǎn)，并通過對(duì)經(jīng)典的開源智能路由器操作系統(tǒng)OpenWrt進(jìn)行分析，說明了智能路由器的基礎(chǔ)原理。

路由器；智能路由器；openwrt

0 引言

現(xiàn)階段的家用電器的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)智能時(shí)代，智能設(shè)備大有井噴之勢(shì)。無線路由器作為家庭互聯(lián)網(wǎng)的入口設(shè)備，更是不例外的踏入了智能時(shí)代。用戶除了追求路由器的穩(wěn)定性、信號(hào)質(zhì)量、連接強(qiáng)度以外，也越來越關(guān)注用戶體驗(yàn)、路由器的功能拓展、功能的自動(dòng)化等方面，這樣就是智能路由器孕育而生的原因了。這也就是為什么在當(dāng)前無線路由器的整體銷量下滑的背景下，智能路由器的使用率逐步提升的原因，大有爆發(fā)性增長的可能。

1 智能路由器的特點(diǎn)

無論是傳統(tǒng)路由器與智能路由器其基本功能都是通過其上的路由協(xié)議，通過相互之間的協(xié)作將IP數(shù)據(jù)包由源端送完宿端。因此就基本功能而言路由器由兩類最基本功能構(gòu)成，即路由轉(zhuǎn)發(fā)和控制管理。路由轉(zhuǎn)發(fā)是將通過路由器的每個(gè)報(bào)文根據(jù)配置策略轉(zhuǎn)發(fā)給輸出鏈路，輸出鏈路通過鏈路調(diào)度實(shí)現(xiàn)高速的轉(zhuǎn)發(fā)，這個(gè)功能一般由硬件實(shí)現(xiàn)。而軟件主要在控制管理方面，其包括路由交互表、系統(tǒng)配置、端口配置、協(xié)議配置、安全配置、設(shè)備升級(jí)、配置備份及恢復(fù)、系統(tǒng)管理等控制管理功能［2］。

顯然智能路由器的智能部分主要是軟件方面體現(xiàn)，即在控制管理方面進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)充，提供智能化的路由器管理，相對(duì)于傳統(tǒng)路由器而言，其路由器操作系統(tǒng)除了專用與路由功能的軟件，還可以通過更多擴(kuò)展應(yīng)用。

2 智能路由器與傳統(tǒng)路由器的區(qū)別

從軟件的智能功能上來講，智能路由器與傳統(tǒng)路由器的區(qū)別主要在下述幾個(gè)方面。

2.1 更人性的用戶體驗(yàn)

一方面路由器內(nèi)部提供的用戶界面較之傳統(tǒng)界面更加人性、功能設(shè)置更加合理，配置向?qū)Ц又荒?，趨于傻瓜式配置。另一方面，可以提供手機(jī)、平板等智能設(shè)備通過APP直接進(jìn)行設(shè)置。

2.2 存儲(chǔ)共享

由于智能路由器一般配備內(nèi)部存儲(chǔ)或外部USB擴(kuò)展存儲(chǔ)的支持。用戶一方面可以遠(yuǎn)程共享這些網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)，還可以將視頻緩存在共享存儲(chǔ)中離線觀看。夜間緩存用戶想看的視頻，白天不影響用戶其它網(wǎng)絡(luò)訪問。用戶還可上傳資料的時(shí)候先上傳到路由器，路由器慢慢上傳，減小用戶對(duì)上下行帶寬不一致的感受。

2.3 應(yīng)用的針對(duì)性

對(duì)于一些特定的應(yīng)用其可以提供更優(yōu)先的帶寬，如大量的游戲、網(wǎng)站、視頻、IPTV等。傳統(tǒng)路由器需要復(fù)雜的手工設(shè)置，而智能路由器可以根據(jù)應(yīng)用的報(bào)頭自動(dòng)判斷根據(jù)策略及算法動(dòng)態(tài)配置。

2.4 功能的擴(kuò)充

傳統(tǒng)路由器只能通過系統(tǒng)整體升級(jí)來升級(jí)功能，而智能路由器由于具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，所以可以通過安裝應(yīng)用的方式擴(kuò)充功能。

2.5 內(nèi)容推薦及過濾

智能路由器可以根據(jù)分析報(bào)文，了解用戶的喜好及行為，從而向其推送更加符合用戶需求的信息，如加速某些游戲、定向加速某些網(wǎng)頁的瀏覽等，同時(shí)還可以對(duì)一些廣告在報(bào)文級(jí)就自動(dòng)過濾。

綜上所述，智能路由器較之傳統(tǒng)路由器主要是更加人性，用戶體驗(yàn)更加合理，同時(shí)作為互聯(lián)網(wǎng)入口能夠更好的與其它應(yīng)用及硬件相融合。

3 智能路由器操作系統(tǒng)簡介

由于智能路由器的本質(zhì)就是其具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，因此智能路由器軟件架構(gòu)就是智能路由器的操作系統(tǒng)架構(gòu)。傳統(tǒng)路由器通過對(duì)固件升級(jí)來擴(kuò)充其控制功能，顯然這個(gè)固件就是一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。智能路由器也提供了一個(gè)操作系統(tǒng)，只是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更加易于應(yīng)用的擴(kuò)展，可以方便設(shè)計(jì)更多貼近用戶的功能。

路由器的操作系統(tǒng)，最早可追溯到上世紀(jì)八十年代，由美國WiindRiver公司推出的VxWorks，其幾乎支持市場上所有的嵌入式CPU，包括x86系列、Intel i960、SPARC、ARM、PowerPC以及xScale CPU。但是由于其封閉性，專用性，導(dǎo)致其推廣并不多，也不為開發(fā)人員所熟知。

后來由于linux及開源軟件的興起，一些專用于某些芯片的linux裁剪系統(tǒng)逐漸誕生。像Redhat推出的eCos、Lineo公司支持維護(hù)的uClinux等，均在一些路由器中被使用。但其裁剪較多，缺乏多任務(wù)，缺乏內(nèi)存管理等限制條件，其很難被應(yīng)用于智能路由器。但是，這些操作系統(tǒng)帶來了一種全新的概念，就是把linux引入到了路由器領(lǐng)域，很多芯片廠商也在linux裁剪、編譯、驅(qū)動(dòng)、硬件加速上下了很大的力度。

操作系統(tǒng)是軟件與硬件設(shè)備的橋梁和平臺(tái)，路由器操作系統(tǒng)就是管理路由器硬件和路由器上的控制軟件、系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用軟件的平臺(tái)程序。WRT54G［3］是由思科公司推出的一款路由器經(jīng)典操作系統(tǒng)，其是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的并遵守GNU（General Public License），因此其源碼也是開發(fā)的。基于此，越來越多的人為這款操作系統(tǒng)做出了極大的貢獻(xiàn)，于是OpenWrt單身了。由于其易于開發(fā)、功能強(qiáng)大、編譯方便，目前國內(nèi)外不少廠家的智能路由器都是基于開源的OpenWrt作為其操作系統(tǒng)，其也慢慢進(jìn)入了主流行列。本文將以O(shè)penWrt系統(tǒng)架構(gòu)作為一個(gè)經(jīng)典設(shè)計(jì)，來分析智能路由器軟件架構(gòu)。

4 智能路由器操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

相比普通運(yùn)行在PC的操作系統(tǒng)，路由器操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)更為簡潔，也裁剪了不少與路由器無關(guān)的管理功能。其基本思路是在保留基本的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、IO管理、文件管理等內(nèi)核的基礎(chǔ)之上開發(fā)一個(gè)包含了TCP/IP的協(xié)議棧，基于協(xié)議棧開發(fā)更多的應(yīng)用功能模塊以及用于用戶交互的基礎(chǔ)用戶接口，構(gòu)成一個(gè)完整的架構(gòu)。

一般而言其系統(tǒng)層次由下至上由以下六個(gè)部分構(gòu)成：

（1）內(nèi)核層，其提供對(duì)CPU、存儲(chǔ)器的管理，提供上層的服務(wù)如存儲(chǔ)管理、IO管理、進(jìn)程調(diào)度、定時(shí)器等基礎(chǔ)服務(wù)。

（2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，對(duì)下層硬件管理，并對(duì)進(jìn)程服務(wù)提供通用的訪問接口。

（3）報(bào)文緩存層，其用來存放要被交換的報(bào)文。

（4）各種基礎(chǔ)服務(wù)進(jìn)程層，其包括如telnet、FTP、SNMP、HTTP以及各種協(xié)議服務(wù)進(jìn)程：TCP、IP、RIP、UDP、OSPF、ARP、BGP、ICMP、IGMP、加解密算法服務(wù)、NAT、報(bào)文過濾、端口過濾等，WAN口配置、ATM配置、VPN配置等設(shè)備配置服務(wù)。

（5）用戶接口層，其包括命令行接口、對(duì)象管理接口、WEB管理接口、自動(dòng)配置服務(wù)器接口、以及各種可擴(kuò)展的接口。

（6）應(yīng)用進(jìn)程層，用于開發(fā)各種智能模塊，其可以使用下層的基礎(chǔ)服務(wù)，開發(fā)各種貼近用戶的應(yīng)用程序。

作為目前在智能路由器中的主流操作系統(tǒng)OpenWrt除具備上述基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)，其還有著更優(yōu)良的設(shè)計(jì)。OpenWrt其系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循軟件架構(gòu)的層次設(shè)計(jì)，由下之上分別為，Linux平臺(tái)層、各種SDK及擴(kuò)展功能庫、OPG管理、統(tǒng)一配置管理接口、系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程和包括了WEB UI代理、SNMP代理、TR069代理、Shell等的代理訪問層。其中，代理層的豐富保證了各種訪問及控制的可能，以及為更為人性化的交互設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)服務(wù)。

隨著OpenWrt的發(fā)展，其還提供了許多商用家庭網(wǎng)關(guān)固件相關(guān)的功能，如DHCP服務(wù)、WEB無線加密、認(rèn)證及證書管理等。由于其提供的OPG管理功能，可以使用統(tǒng)一的軟件包來增加或刪除軟件包來實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充與變更。這樣極大擴(kuò)展了路由器的功能范圍，從而實(shí)現(xiàn)了智能的效果。

5 總結(jié)及展望

由于軟件控制是其智能的關(guān)鍵，本文重點(diǎn)在于論述其軟件系統(tǒng)架構(gòu)。分析智能路由器的軟件架構(gòu)特點(diǎn)，并通過對(duì)經(jīng)典的開源智能路由器操作系統(tǒng)OpenWrt進(jìn)行分析，說明了智能路由器的基礎(chǔ)原理。智能路由器的出現(xiàn)，實(shí)際上是將控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層分離，轉(zhuǎn)發(fā)由硬件完成，控制由軟件定義，這也是近些年很多這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。相信未來的路由器必然會(huì)更加智能，其發(fā)展一定趨于定制化和開源化，更多的用戶會(huì)參與設(shè)計(jì)，更多的專業(yè)開發(fā)人員也會(huì)定制出更多樣化的產(chǎn)品。

［1］杭州華三通信技術(shù)有限公司.路由交換技術(shù)（第 1 卷）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：87-89.

［2］多伊爾，卡羅爾.路由器配置操作與應(yīng)用原理［M］.葛建立，譯.人民郵電出版社，2006：66-69

［3］Bird Intern Articles on Routing Softeware Openwrt［M］. Hephaestus Books，2011：115-120.

季燁（1984—），女，江蘇人，解放軍73049部隊(duì)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)軟件方面的研究。