摘 基 于 ARM 的 嵌 入 式 无 线 AP 的 设 计 杨 健 陈 永 泰 ( 武 汉 理 工 大 学 信 息 工 程 学 院, 武 汉 430070) 要 : 本 文 首 先 介 绍 了 无 线 AP 的 基 本 原 理, 然 后 重 点 描 述 基 于 AT76C510 的 无 线 AP 的 硬 件 设 计 及 嵌 入 式 系 统 uclinux 最 后 对 IEEE802.11b 的 安 全 性 进 行 分 析 关 键 词 : 无 线 AP,ARM7TDMI,ATMEL AT76C510,IEEE802.11b Design of wireless AP based on ARM Processor YANG Jian CHEN Yong-tai (School of Information Engineering,WUT,Wuhan 430070,China) Abstract:This paper describes the principle of wireless AP and the ARM7TDMI MCU AT76C510,then presents an WLAN AP designed plan based on IEEE802.11b and uclinux. The security and the present mechanism in WLAN are introduced. Keyword:Wireless AP,ARM7TDMI,ATMEL AT76C510,IEEE802.11b 一 无 线 接 入 点 的 基 本 原 理 WLAN 包 括 无 线 网 卡 和 接 入 点 (Access Point) 无 线 网 卡 安 装 在 移 动 终 端 上, 用 来 访 问 AP 无 线 网 卡 带 有 发 送 器 接 收 器 天 线 和 提 供 与 无 线 终 端 接 口 的 硬 件 AP 是 一 个 桥 接 的 无 线 基 站, 放 置 于 固 定 位 置 并 可 连 接 到 有 线 局 域 网 AP 带 有 发 送 器 接 收 器 天 线 和 桥 接 器, 带 有 与 IEEE802.3 以 太 网 的 接 口, 可 以 让 无 线 终 端 同 有 线 局 域 网 通 信 无 线 局 域 网 利 用 电 磁 波 在 空 气 中 发 送 和 接 收 数 据, 而 无 需 线 缆 介 质 无 线 局 域 网 的 数 据 传 输 速 率 现 在 已 经 能 达 到 11Mbit/s, 传 输 距 离 可 远 至 20km 以 上 宽 带 无 线 IP 接 入 是 指 在 基 于 无 线 计 算 网 络 的 基 础 上, 为 在 子 网 间 漫 游 的 移 动 终 端 提 供 无 缝 的 高 速 的 透 明 的 接 入 服 务 实 现 这 个 目 标, 不 但 需 要 上 层 漫 游 软 件 的 支 持, 更 需 要 无 线 接 入 网 中 接 入 服 务 的 建 设 而 无 线 局 域 网 作 为 实 现 这 一 目 标 的 主 要 系 统 之 一, 倍 受 人 们 关 注 无 线 接 入 点 AP(Access Point) 是 实 现 无 线 局 域 网 移 动 功 能 的 关 键 部 分 在 无 线 局 域 网 中,AP 所 实 现 的 功 能 包 括 : 对 小 区 内 移 动 终 端 的 管 理, 例 如 登 录 认 证 ; 完 成 IEEE802.11 中 入 口 的 功 能, 实 现 从 802.11 到 802.X 帧 格 式 和 从 802.X 到 802.11 帧 格 式 的 转 换 ; 完 成 数 据 帧 从 无 线 网 络 到 有 线 网 络 的 桥 接 过 程, 实 现 地 址 过 滤 以 及 地 址 的 学 习 功 能 ; 完 成 移 动 终 端 在 不 同 BSS 间 越 区 切 换 的 管 理 以 及 移 动 终 端 与 Internet 的 兼 容, 使 移 动 终 端 在 越 区 切 换 后 仍 可 以 保 持 连 接, 做 到 操 作 透 明 性 和 性 能 透 明 性 ; 实 现 简 单 网 管 功 能 ; 完 成 WEP 算 法 二 IEEE802.11b 主 要 特 点 IEEE802.11b 协 议 规 定 WLAN 工 作 在 2.4GHz 的 ISM 频 段, 广 泛 用 于 工 业 和 民 用 产 品 (1) 物 理 层 : 直 接 序 列 扩 频 技 术 (DSSS), 补 偿 码 键 控 (CCK) 调 制 ; (2)MAC 层 : 载 波 监 听 多 路 访 问 / 冲 突 避 免 (CSMA/CA) 协 议 (3) 安 全 性 : 内 置 式 鉴 定, 基 于 RC4 的 流 加 密 算 法 ; (4) 频 段 :2.4GHz( 工 业 科 学 和 医 疗 ISM 波 段 ) ; (5) 速 率 : 最 大 数 据 传 输 速 率 11Mb/s, 射 频 差 时 降 为 5.5Mb/s,2Mb/s ; (6) 业 务 :3 个 非 重 叠 信 道, 传 输 数 据 图 像 ; (7) 范 围 : 室 内 100m, 室 外 300m 左 右 802.11b 运 作 模 式 基 本 分 为 两 种 : 点 对 点 模 式 和 基 本 模 式 点 对 点 模 式 是 指 无 线 网 卡 和 无 线 网 卡 之 间 的 通 信 方 式 只 要 PC 插 上 无 线 网 卡 即 可 与 另 一 具 有 无 线 网 卡 的 PC 连 接, 对 于 小 型 的 无 线 网 络 来 说, 是 一 种 方 便 的 连 接 方 式, 最 多 可 连 接 256 台 PC 而 基 本 模 式 是 指 无 线 网 络 规 模 扩 充 或 无 线 和 有 线 网 络 并 存 时 的 通 信 方 式, 这 是 802.11b 最 常 用 的 方 式 此 时, 插 上 无 线 网 卡 的 PC 需 要 由 接 入 点 与 另 一 台 PC 连 接 接 入 点 负 责 频 段 管 理 及 漫 游 等 指 挥 工 作, 一 个 接 入 点 最 多 可 连 接 1024 台 PC( 无 线 网 卡 ) 当 无 线 网 络 节
点 扩 增 时, 网 络 存 取 速 度 会 随 着 范 围 扩 大 和 节 点 的 增 加 而 变 慢, 此 时 添 加 接 入 点 可 以 有 效 控 制 和 管 理 频 宽 与 频 段 无 线 网 络 需 要 与 有 线 网 络 互 连, 或 无 线 网 络 节 点 需 要 连 接 和 存 取 有 线 网 的 资 源 和 服 务 器 时, 接 入 点 可 以 作 为 无 线 网 和 有 线 网 之 间 的 桥 梁 三 无 线 AP 的 设 计 采 用 ATMEL 公 司 的 AT76C510 的 单 芯 片 IEEE802.11b 基 带 控 制 器, 芯 片 内 部 集 成 两 个 ARM7TDMI 微 处 理 器, 一 个 微 处 理 器 提 供 以 太 网 和 无 线 网 的 桥 接 功 能 ; 另 一 个 微 处 理 器 和 内 部 的 128 位 FIFO 用 于 无 线 MAC 层 运 用 微 处 理 器, 芯 片 可 以 精 确 的 控 制 外 围 器 件, 管 理 存 储 器 和 数 据 流 并 和 USB 扩 展 接 口 通 讯 芯 片 特 性 如 下 : 集 成 支 持 11MbpsIEEE 802.11b 和 MAC 协 议 标 准 芯 片 支 持 最 新 的 安 全 保 密 协 议 802.1x TKIP 等 支 持 64/128 位 WEP 加 密 协 议 PAI 支 持 DSSS 和 FHSS 实 时 加 密 解 密 功 能 标 准 MII 接 口 支 持 10/100Mbps 以 太 网 支 持 1M 2M 5.5M 和 11Mbps 的 自 动 传 输 速 率 选 择 采 用 PQFP 封 装,128 只 引 脚, 内 核 电 压 3.3V 在 RFMD 第 一 代 的 解 決 方 案 里, 除 了 PA 之 外 还 必 须 再 使 用 3 个 芯 片, 第 二 代 的 单 芯 片 方 案 已 将 这 3 个 芯 片 做 了 高 度 的 整 合,RF2958 为 整 合 的 单 芯 片 射 频 收 发 器, 再 加 上 适 当 的 PA 就 能 组 成 一 个 完 整 的 无 线 网 络 的 802.11b 的 射 频 模 块 RF2472 为 2.4G 低 噪 声 放 大 器, RF5117 是 26dB 增 益, 输 出 饱 和 功 率 30dBm, 效 率 25% 的 后 级 功 率 放 大 器, 855898 374MHz SAW 滤 波 器 从 接 收 路 径 进 来,GS 信 号 先 设 定 第 一 级 VGA 的 增 益, 再 经 由 芯 片 内 部 两 个 相 差 180 度 的 本 地 振 荡 通 过 混 频 器 降 到 374MHz 的 中 频, 接 着 由 SAW filter 滤 波, 进 入 第 二 级 VGA 再 降 频 到 基 频 信 号 送 到 基 频 处 理 器 在 发 射 路 径 部 分, 也 是 同 样 的 架 构 频 率 一 直 升 到 2.4GHz 的 载 波 在 灵 敏 度 方 面, 当 数 据 传 输 速 率 为 11Mbps 時, 可 以 达 到 -85dBm 以 下, 且 AGC 的 动 态 范 围 高 达 70dB 以 上 在 发 射 方 面 EVM 小 于 7% 且 发 射 功 率 可 调 制 到 20dBm 以 上 Realtek 公 司 的 RTL8201 是 一 款 快 速 以 太 网 物 理 层 收 发 器 它 与 MAC 层 有 标 准 的 MII( 媒 介 独 立 接 口 ) 接 口, 支 持 10/100Mbps 操 作, 支 持 半 双 工 / 全 双 工 操 作, 支 持 IEEE802.3/802.3u 协 议, 支 持 节 电 模 式, 支 持 重 发 模 式 FLASH 为 AT29C020, 具 有 2M 位 的 存 储 空 间, 分 成 1024 个 分 区, 每 一 分 区 有 256 个 字 节 从 AT29C020 中 读 取 数 据 与 E2PROM 的 操 作 相 似, 再 编 程 能 力 是 以 每 一 分 区 为 单 位 的,256 字 节 的 数 据 装 入 AT29C020 的 同 时 完 成 编 程 在 一 个 再 编 程 周 期 里, 存 储 单 元 的 寻 址 和 256 字 节 数 据 通 过 内 部 锁 存 可 释 放 地 址 和 数 据 总 线, 这 样 可 为 其 他 操 作 提 供 地 址 和 数 据 总 线 编 程 周 期 开 始,AT29C020 会 自 动 擦 除 分 区 的 内 容, 然 后 对 锁 存 的 数 据 在 定 时 器 的 作 用 下 进 行 编 程 编 程 周 期 的 结 束 是 通 过 查 询 I/O7 的 有 效 时 实 现 的, 一 旦 编 程 周 期 结 束, 就 可 开 始 一 个 新 的 读 或 编 程 操 作 IC61LV5128 为 4M 高 速 异 步 512Kx8bit 3.3V SRAM 电 路 原 理 图 见 图 一 印 刷 电 路 板 (PCB) 采 用 4 层 板, 设 计 过 程 中, 应 遵 循 高 频 电 路 的 设 计 和 布 线 基 本 原 则 在 器 件 的 电 源 和 地 之 间 加 上 0.1μF 的 电 容, 滤 除 高 频 噪 声 的 影 响 对 电 源 使 用 电 源 层 或 加 宽 电 源 线 的 方 式 降 低 噪 声, 提 高 系 统 的 稳 定 性 布 线 采 用 45 角 或 弧 线 走 线, 尽 可 能 少 用 过 孔, 减 少 串 绕 对 RF 电 路 加 上 金 属 屏 蔽, 防 止 干 扰 同 类 型 信 号 线 应 成 组 平 行 分 布 通 过 屏 蔽 滤 波 消 除 电 流 环 路 等 方 法 来 减 少 EMI
图 一 无 线 AP 电 路 图 软 件 平 台 由 以 下 部 分 组 成 : 系 统 引 导 程 序 嵌 入 式 操 作 系 统 内 核 文 件 系 统 系 统 引 导 程 序 称 为 bootloader, 代 码 量 虽 少, 但 是 作 用 非 常 大, 相 当 于 PC 上 的 BIOS, 负 责 将 操 作 系 统 内 核 固 化 到 Flash 中 和 系 统 初 始 化 工 作, 然 后 将 系 统 控 制 权 交 给 操 作 系 统 嵌 入 式 操 作 系 统 内 核 是 嵌 入 式 系 统 加 电 运 行 后 的 管 理 平 台, 负 责 实 时 性 任 务 和 多 任 务 的 管 理 开 始 初 始 化 AP 管 理 模 块 初 始 化 侦 听 有 线 和 无 线 端 口 有 线 端 口 接 收 无 线 端 口 接 收 802.3 帧 有 线 端 口 接 收? 802.11 帧 无 线 端 口 接 收? 桥 接 功 能 模 块 移 动 管 理 功 能 模 块 AP 是 否 结 束? N Y 结 束 图 二 AP 的 功 能 模 块 流 程 图 ARM7TDMI 是 一 款 没 有 MMU 的 处 理 器, 因 此 采 用 uclinux 作 为 本 系 统 的 操 作 系 统 内 核 uclinux
是 Linux 是 一 个 分 支, 专 为 无 MMU 的 处 理 器 设 计, 它 继 承 了 Linux 强 大 的 网 络 功 能 和 多 任 务 管 理 功 能, 并 对 内 存 管 理 和 进 程 管 理 进 行 了 改 写, 满 足 无 MMU 处 理 器 的 开 发 要 求 uclinux 提 供 TCP/IP UDP 等 协 议 栈 和 网 络 驱 动 器 驱 动 文 件 系 统 是 嵌 入 式 系 统 软 件 平 台 占 用 存 储 量 最 大 的 一 部 分, 也 是 与 用 户 开 发 最 相 关 的 一 部 分 它 存 储 了 系 统 配 置 文 件 系 统 程 序 用 户 应 用 程 序 和 必 需 的 驱 动 程 序 通 过 JTAG 口, 将 内 核 和 文 件 系 统 的 映 像 文 件 烧 写 到 指 定 的 Flash 位 置 上 ; 移 植 uclinux 到 硬 件 上, 需 要 修 改 和 硬 件 启 动 相 关 的 文 件 : linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.s linux-2.4.x/include/asm-armnommu/arch-atmel/hardware.h linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in 图 二 为 AP 的 功 能 模 块 流 程 图 将 设 备 驱 动 添 加 到 uclinux 内 核 中 uclinux 通 过 设 备 文 件 来 提 供 应 用 程 序 和 设 备 驱 动 的 接 口, 应 用 程 序 通 过 调 用 标 准 的 文 件 操 作 函 数 来 打 开 关 闭 读 取 和 控 制 设 备 四 安 全 性 IEEE802.11 标 准 主 要 应 用 三 项 安 全 技 术 来 保 障 WLAN 的 数 据 传 输 安 全 : 一 是 SSID(Service Set Identifier) 技 术, 它 可 以 将 一 个 WLAN 分 为 几 个 需 要 不 同 身 份 验 证 的 子 网 络, 每 一 个 子 网 络 都 需 要 独 立 的 身 份 验 证, 只 有 通 过 身 份 验 证 的 用 户 才 可 以 进 入 相 应 的 子 网 络, 防 止 未 被 授 权 的 用 户 进 入 本 网 络 ; 二 是 MAC(Media Access Control) 技 术, 它 可 在 WLAN 的 每 一 个 接 入 点 设 置 一 个 许 可 接 入 的 用 户 的 MAC 地 址 清 单, 对 于 MAC 地 址 不 在 清 单 中 的 用 户, 接 入 点 将 拒 绝 其 接 入 请 求 ; 三 是 WPA 用 瞬 时 密 钥 整 体 协 议 (TKIP) 的 增 强 型 加 密 协 议, 增 加 对 数 据 的 加 密, 用 新 的 加 密 算 法 以 及 用 户 认 证, 满 足 WLAN 的 安 全 需 求 目 前, 这 些 技 术 已 发 展 成 熟 参 考 文 献 : 1 IEEE802.11 无 线 局 域 网 标 准 的 网 络 性 能 比 较 与 分 析 韩 旭 东 今 日 电 子 2004.2 2 基 于 ARM 的 嵌 入 式 图 像 采 集 处 理 系 统 及 其 无 线 传 输 姚 聪 电 子 技 术 2003.11 3 无 线 局 域 网 WLAN 的 网 络 安 全 分 析 翟 继 强 电 力 信 息 化 2004.1 4 ATMEL AT76C510 Datasheet 5 一 种 基 于 MPC860 的 无 线 局 域 网 接 入 点 以 太 网 接 口 研 究 李 伟 征 东 南 大 学 学 报 2004.3 6 基 于 ARM-uClinux 的 开 发 简 介 胡 方 强 电 子 器 件 2003.12 7 uclinux 的 设 备 驱 动 程 序 开 发 陆 宝 辂 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 应 用 2003.6 基 于 ARM 的 嵌 入 式 无 线 AP 的 设 计 中 图 分 类 号 :TP316.81 文 献 标 识 码 :A 作 者 : 杨 健 YANG Jian 男 (1978.11~) 汉 族 武 汉 理 工 大 学 信 息 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 专 业 : 通 信 与 信 息 系 统 School of Information Engineering Wuhan University of Technology Major:Communication and information system 陈 永 泰 CHEN Yong-tai 男 (1953.8~) 汉 族 武 汉 理 工 大 学 信 息 工 程 学 院 研 究 生 导 师 通 信 教 研 室 主 任 School of Information Engineering Wuhan University of Technology 联 系 电 话 :13681283704 027-87299437 E-MAIL : yywelcome2003@126.com
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