隨著互聯(lián)網上的內容越來越豐富多彩，人們對傳輸帶寬的需求也逐漸增大，傳統(tǒng)Modem的56K帶寬日益顯得不堪重負。如何充分有效利用現(xiàn)有的電話線資源來獲得足夠的帶寬呢？ ADSL(不對稱數字用戶環(huán)路)是一個很好的答案。ADSL技術利用電話線上高于話音頻帶的帶寬（4K～1.1MHz），采用離散多音頻調制技術來調制高速數字信號（傳統(tǒng)的Modem是用話音頻帶來調制數字信號）,下行速率可達8Mbit/s，上行可達1.5Mbit/s。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數字信號處理（DSP）技術的不斷進步,DSL技術也不斷趨于成熟。ADSL完成A/D、D/A變換，采用FFT/IFFT作DMT和卷積編碼調制，既實現(xiàn)了高帶寬利用率，又保證了傳輸的低誤碼特性。我們所設計的ADSL網關采用Itex的Apollo 3 ADSL PCI解決方案作Internet的接入部分，另一側用以太網或無線局域網接多用戶，接口為RJ-45和無線訪問點（AP）天線，提供了靈活方便的組網方式，可以廣泛應用于家庭、小型辦公室的接入。在軟件上，我們采用根據硬件結構來定制Linux內核的方法，整合了必要的驅動模塊來作網關的操作系統(tǒng)，不僅完成對ADSL接入模塊、以太網模塊以及無線局域網（WLAN）無線接入點AP模塊的驅動，還提供DHCP、SNMP以及IP防火墻等應用功能。
 

一、 硬件體系結構

1．AMD微控制器總體構架

　　AMD公司推出的ElanSC520功能強大，適用于在嵌入式環(huán)境下用作協(xié)議處理器和網絡處理器，兼容PC/AT，支持32位PCI外部總線，而且其傳輸的低延遲和低價位使其獲得了廣泛的應用。ElanSC520集成了一個工業(yè)級的X86處理器，從而為與X86結構適配的軟件提供了良好的接口和易移植性，支持包括Linux和Windows在內的多種操作系統(tǒng)，內建的高速PCI總線接口符合PCI V2.2規(guī)范，可擴展1～5個PCI總線設備，通過其內部的PCI總線仲裁機制來決定與哪一個PCI設備進行相互通信。PCI總線的最高傳輸速率可達132MB/s。在ADSL網關設備的設計中，我們使用了三個PCI總線設備，這三個總線設備共享PCI總線與ElanSC520進行通信。ElanSC520微控制器還帶有高性能的SDRAM和ROM/FLASH接口，同時還有用于配置和調試的UART串行接口,可以接模擬終端。基于ATM的ADSL網關的硬件體系結構如圖1所示：

圖1：ADSL硬件體系結構

2. ADSL接入設備

　　ADSL接入端采用Itex的Apollo 3的PCI解決方案，其芯片組包括線路驅動、模擬前端和數字收發(fā)器，完成對電話線路上信號的發(fā)送和接收濾波、放大、A/D和D/A轉換、FFT/IFFT等數字信號處理，并通過PCI總線與ElanSC520進行通信。該組芯片將PCI到UTOPIA（標準信元接口）的轉換功能集成到DMT收發(fā)器和ATM的成幀器中，將線路接收器集成到模擬前端中。由于控制由主處理器完成，Apollo3不需要額外的存儲設備和控制器，使板上的控制需求減少到最小，從而大大降低了功耗。該芯片組符合以下協(xié)議標準：G.992.1(G.DMT), G.992.2(G.LITE), G.994(G.HS), T1.413 Issue 2(1998)

其結構如圖2所示：

圖2：ADSL線路接入端結構

信號由RJ－11電話線接口進來，收端通過接收濾波器送到接收部分進行濾波、信號放大，經A/D變換，F(xiàn)FT解調，送往處理器進行處理；而在發(fā)端,由處理器出來的數字信號經過IFFT進行DMT調制，再經過線路驅動模塊，濾波后發(fā)送到電話線路上進行傳輸。

3.以太網接口

　　以太網采用的是Realtek 的RLT8029AS芯片，與NE2000兼容，符合標準的802.3CSMA/CD協(xié)議規(guī)范。其全雙工特性允許同時發(fā)送和接收，集成了曼徹斯特編解碼器，可以用于無盤工作站。

4.WLAN_AP接口

　　為了方便筆記本電腦共享電話線上網，我們在用戶端還提供了WLAN_AP接口，可以方便的進行無線局域網的組網，在這里我們使用了TI公司的PCI1410A橋芯片將PCI信號轉為PCMCIA信號，接無線網卡，將數據包封裝為符合IEEE802.11b協(xié)議的幀進行傳輸。

二、 軟件體系結構

　　由于Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、開放性以及可擴展性，使它在嵌入式系統(tǒng)中獲得較為廣泛的應用，然而由于Linux允許非搶先式操作,使其不可能成為完全的實時系統(tǒng)，最多只能算是在統(tǒng)計意義上的實時。在ADSL網關的設計中我們可以將實時的信號賦予很高的優(yōu)先級，從而保證在整體上公平地進行進程調度。

　　構建嵌入式操作系統(tǒng)，我們首先考慮到在一個嵌入式的應用環(huán)境下既沒有多少內存也沒有多少外存可用，操作系統(tǒng)必須存放在有限的存儲器Flash中，所以我們必須根據硬件的構架來定制我們需要的Linux內核。由于ADSL接入端是基于ATM的，我們要為內核加上對PPP over ATM的patch（補?。?，對于在ATM基礎上支持Internet，實際上可以歸結為在ATM上如何支持TCP/IP的問題，即ATM如何承載IP包的問題。在ADSL網關應用中，要共享ADSL線路接入Internet，遵循的是點到點協(xié)議，因此ADSL接入端的驅動程序實際上是一個PPP over ATM的模塊，它將作為內核的一個可載入模塊進行進程調用，而以太網驅動程序和WLAN_AP的驅動程序是實現(xiàn)在以太網和無線介質里傳送IP包的，即分別用802.3和802.11的幀格式來封裝IP包，這樣ADSL網關的協(xié)議棧就如圖3所示。

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圖3：ADSL網關的協(xié)議棧

在圖3中，AAL5是ATM適配層，RFC1483是ATM適配層第五類型的多協(xié)議封裝規(guī)范，描述了在ATM端系統(tǒng)中怎樣在主機、橋設備和路由設備之間承載多協(xié)議業(yè)務。在ADSL網關中，根據ITU的協(xié)議規(guī)范，信號經過一系列變換以ATM信元的形式輸出，因此我們要在ATM適配層的基礎上將信號變成上層協(xié)議能夠識別的包，從而決定該包是否轉發(fā)，丟棄或者接收。根據RFC1483協(xié)議，有兩種多協(xié)議封裝的形式，一種是LLC封裝多協(xié)議，即LLC-SNAP模式，在同一個VC上承載多協(xié)議，協(xié)議類型包含在LLC頭中，另一種是VC-MUX模式，不同的協(xié)議使用不同的VC,則不需要在協(xié)議頭中指明協(xié)議類型，而具體哪一個VC承載哪一種協(xié)議則是在鏈路初始化的時候確定，這種方法降低了鏈路開銷，但在虛擬連接數量有限的情況下多數還是使用LLC復用。實現(xiàn)這個功能是通過在Linux內核中加載PPPOA模塊來實現(xiàn)的。

PPP包中包括三種類型的信息：

* Link Control Protocol(LCP) 用來協(xié)商鏈路參數，包的大小，以及認證類型

* Network Control Protocol(NCP) 指明高層協(xié)議的信息，可以是IP、IPX及其控制協(xié)議。

* 數據幀

　　ADSL遵循的協(xié)議是基于ATM的，也就是在物理層是在電話線上調制高速數據信號，RS編碼，擾碼等一些物理層的協(xié)議，在物理層以上是以ATM信元格式輸出的，而對于ADSL網關來說，PPP over ATM Adaption Layer 5(AAL5) RFC2364是用AAL5作為成幀協(xié)議，支持PVC,SVC, PPPOA是ADSL協(xié)議棧的基本部分，它依賴于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用戶端設備(CPE)封裝PPP包的過程就是以PPPOA協(xié)議來進行ADSL環(huán)路和DSLAM上傳輸數據的。AAL5的公共部分匯集子層（CPCS）的協(xié)議數據單元如圖4所示：

　　其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5協(xié)議的數據部分，最大為216-1個字節(jié)，這是因為在下面的二字節(jié)的LENGTH域中限定的。PAD中有48個字節(jié)，剛好為一個信元的數據域，由SAR(分段重組)子層生成，CPI域是為了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填補上去的，CRC采用32位的循環(huán)冗余校驗碼。

　　在我們的ADSL網關設計中，考慮到有限的虛擬連接的數量，我們采用的是LLC封裝多協(xié)議的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如圖4所示。包括：

* LLC頭：3字節(jié)，其中兩個字節(jié)指定了一個目的SAP(0xFE)和源SAP(0xFE)，后面是幀類型，為Un-numbered Information=0x03

* Network Layer protocol Identifier(NLPID)，這里使用的是PPP，其類型值為0xCF

* PPP協(xié)議標識域為一和二字節(jié)

* PPP信息域

* PPP填充域

　　對于局域網內的用戶通過以太網口和Wireless LAN的天線與網關互聯(lián)，其中以太網和Wireless LAN使用不同的網段，網關要做的事情是看用戶的IP包，如果是發(fā)往本局域網的，那要看是不是同一個網段的，如果是則丟棄，如果不是則發(fā)向另一網段，也就是說在本地的包業(yè)務通信中，起了一個橋接的作用。如果不是發(fā)向本局域網，而是發(fā)向廣域網的包則通過PPP端口轉發(fā)，實現(xiàn)其路由功能。以太網的驅動程序和WLAN驅動程序在Linux中也是作為一個可載入模塊加載到Linux內核中。

　　為了實現(xiàn)應用網關功能，在應用層我們還根據實際需要實現(xiàn)了基于IP地址過濾的防火墻，網絡地址解析，簡單網絡管理，動態(tài)主機地址分配，和WEB服務器，

　　重新編譯內核時去掉對硬盤，鼠標，顯卡，鍵盤的支持，只保留一個簡單的文件系統(tǒng)，并放在Flash上，這樣可以在線升級網關操作系統(tǒng)。內核的核心主要是進行內存管理，啟動和中斷。將PPPOA模塊、以太網以及WLAN驅動模塊編譯進內核，內核程序與網絡設備接口間采用消息驅動方式，三個模塊對應三個消息隊列和三個通信例程，每個例程負責監(jiān)聽相應端口的數據（對應一個消息隊列），當接受到消息時，使進程轉入處理程序，進行內存刷新、加工數據幀頭、發(fā)送消息等工作，消息隊列如果沒有消息存在，該進程就釋放CPU給其它進程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外設的I/O空間要映射到物理內存空間，所以要在TLB中鎖定這些內存，在為三個PCI設備進行內存分配時，要判斷分配的內存空間是否與鎖定的內存空間重疊。另外我們在硬件設計上使用了串口(RS-232)作為調試接口，可以在shell中測試系統(tǒng)命令，運行應用程序，或用GDB對應用程序進行調試，另外shell還用于對系統(tǒng)進行配置。配置包括配置全局參數對網關的命令行接口，需要配置撥號PPP over ATM端口、以太網和WLAN端口。在配置前需要確認ADSL線路與DSLAM連接，要有一個靜態(tài)IP地址或者由ISP負責動態(tài)IP地址分配。網關在啟動時，BIOS上電自檢，加載文件系統(tǒng)，引導網關操作系統(tǒng)，ADSL線路進行握手操作，初始化鏈路，進入SHOWTIME。

三、 進一步的工作及展望

　　ADSL網關集ADSL modem 和應用網關于一體，既完成ADSL接入的模擬的調制解調工作，又在此基礎上實現(xiàn)了資源共享，簡單網絡管理以及網絡安全方面的功能等，是一種有著廣泛應用前景的技術