CN101179477B - 一种实现嵌入式路由器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现嵌入式路由器的方法。该方法包括如下步骤：1)对不同的网络进行识别；2)对识别的不同网络分配网络参数；3)对网络数据包进行过滤；4)对需要发送或接收的数据包的网络地址进行转换，发送或接收数据包。所述步骤1)中是对以太网和PPPoE网络进行识别。本发明是ADSL接入方式下的嵌入式路由器，降低传统嵌入式路由器系统实现复杂度，降低成本，路由算法设计简洁，代码开销小，是应用于嵌入式操作系统的低成本路由器方案。

Description

一种实现嵌入式路由器的方法 

技术领域

本发明涉及路由器的实现方法，特别涉及到一种使用PPPoE(PPP over Ethernet，PPP：Point to Point Protocol)协议的实现嵌入式路由器的方法。 

背景技术

路由器是网络中一种用来转发和传送数据包的计算机设备或软件。路由器至少连接两个网络，通常两个局域网，或两个广域网，或一个局域网与对应的因特网服务提供网络。路由器主要具有两个职能，一是路由器确保信息不到达不需要到达的位置，这对于防止大量数据阻塞网络是非常关键的一点；二是路由器确保信息到达所需要的正确目的地。在执行以上这两种职能中，路由器连接两个网络，将信息从一个网络传送至另一个网络。在某些情况下，还执行两个网络间的多种协议的翻译职能。此外它还确保网络之间通信路由的相互独立，预防其中一个网络上的多余流量溢出到另一个网络上。该过程称为路由选择。路由选择是OSI模型第三层(网络层的)一种功能。路由器通过网络层协议头如IP头(包含源地址和目的地址)和路由表，选择转发数据包的最佳路径。在当今信息化社会中，人们对数据通信的要求日益增加。路由器作为IP网的核心设备，其技术已成为当前信息产业的关键技术。 

ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line)的全称是非对称性数字线路，它是数字用户线技术的一种，可在普通铜线电话用户线上传送电话业务的同时，向用户提供1.5～8Mb/s速率的数字业务。ADSL是目前比较流行的宽带接入技术的一个代表。PPP(Point-to-Point Protocol点到点协议)是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。ADSL设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。利用以太网资源，在以太网上运行PPP来进行用户认证接入的方式称为PPPoE(PPP overEthernet，PPP：Point to Point Protocol)。PPPoE即保护了用户方的以太网资源，又完成了ADSL的接入要求，是目前ADSL接入方式中应用最广泛的技术标准。 

随着信息化网络技术和嵌入式技术的发展，嵌入式网络终端系统正逐渐渗透到 人们社会生活各个领域，具有巨大的应用潜力，比如机顶盒，掌上电脑，VoIP网络可视电话等多媒体终端产品。嵌入式网络终端采用PPPoE协议，通过ADSL接入宽带网时，通常有两种应用情况，一种是ADSL Modem内部自带有路由功能，这时嵌入式终端和其他网络终端都会通过路由式ADSL Modem+集线器(或交换机)实现多机共享；另一种情况是，若使用没有路由功能的ADSL Modem，嵌入式终端和其他网络终端可以通过非路由ADSL Modem+宽带路由器，或在嵌入式终端集成路由器功能来实现多机共享。但是，对于拥有多台网络终端的家庭用户或小型办公室用户来讲，添置额外集线器或宽带路由器，这无疑会增加使用开销，降低应用的灵活性。而目前嵌入式网络路由器通常采用传统路由器设计思想，即在转发每一分组时，都要进行一系列的复杂操作，包括路由查找、访问控制表匹配、地址解析、优先级管理以及其他的附加操作。这一系列的操作大大影响了路由器的性能与效率，降低了分组转发速率和转发吞吐量，增加了系统调用负荷，实现代价较高。 

发明内容

本发明的目的是克服现有嵌入式路由器终端存在的设计复杂，实现代价高等不足，提供一种ADSL接入方式下基于嵌入式网络平台的路由器实现方案。 

一种实现嵌入式路由器的方法，包括如下步骤： 

1)对不同的网络进行识别； 

2)对识别的不同网络分配网络参数； 

3)对网络数据包进行过滤； 

4)对需要发送或接收的数据包的网络地址进行转换，然后发送或接收数据包。 

在上述技术方案中，进一步地，在所述步骤1)中，是对以太网和PPPoE网络进行识别，具体包括：(1)在TCP/IP协议栈存储分组的缓冲区结构中，添加表征以太网与PPPoE链路分组的标志变量；(2)当接收到分组后，在链路层解析分组中第13个和第14个字节；如果这两个字节分别为0x88、0x63或0x88、0x64，则该分组为PPPoE链路分组，将表征标志设置为PPPoE分组；否则，设置表征标志为以太网分组。 

在上述技术方案中，进一步地，在所述步骤2)中，具体包括：(1)为该嵌入式路由器设置公网IP地址和私有IP地址；(2)启动动态主机配置协议服务器，向连接到该嵌入式路由器的所有终端提供网络参数。 

在上述技术方案中，进一步地，在所述步骤3)中，设置过滤数据包的规则为： 

(1)对于私网到公网数据包的转发，首先进行私网到公网的网络地址转换，然 后转发至外部网络； 

(2)对于公网到私网数据包的转发，首先进行公网到私网的网络地址转换，然后转发外部网络分组至对应的私有IP地址终端； 

(3)对于到达嵌入式路由器终端的来自另外私网终端的以太网分组，根据嵌入式路由器终端的网络应用确定是否应该接收； 

(4)对于到达嵌入式路由器终端的来自外部网络的网络分组，根据嵌入式路由器终端的网络应用确定外部网络分组是否应该接收。 

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤4)具体包括如下步骤： 

(1)与嵌入式路由器相连的各终端的私有IP地址均通过网络端口映射为嵌入式终端公网IP地址；占用端口映射列表中的外部端口范围设置为2049～61184，根据最大支持子网终端数目分为N组，第i组包含端口的数值x为{x|2049+m*i+j，m＝INT(59136/N)，0≤j≤m)}； 

(2)当嵌入式路由器接收到来自内部终端IP地址和端口的数据包时，网络地址转换模块将根据IP地址查询相应的占用端口映射链表中是否存在该端口的映射关系，如果存在，则按照存在的映射关系，将内部IP地址和端口的转换为嵌入式终端的公网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发；如果不存在，则按照查找过程中，获取到该组最小的未占用端口，生成端口映射关系，存入该端口占用映射链表中，并按照该映射关系将内部IP地址和端口的转换为嵌入式终端的公网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发； 

(3)当嵌入式路由器接收到来自外网的网络分组时，网络地址转换模块根据目的端口，计算出接收的内部子网终端的IP地址，并查找相应的占用端口映射链表中是否存在该外部端口的映射关系，如果不存在端口映射的匹配信息，不进行向内网的数据包转发，并丢弃该数据包；如果存在端口映射关系，则将数据包目标字段中的外部IP地址和外部端口替换为内网对应的私有IP地址和内部端口，从而将外网数据包转发到内网终端； 

(4)当网络地址转换模块改变了某个网路分组的IP地址和端口号时，需要重新计算该网络分组IP校验和，UDP校验和和TCP校验和，并给予更新。 

在上述技术方案中，进一步地，本发明中采用RFC1624中增量重新计算上述校验和。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

本发明基于嵌入式网络，实现了一种ADSL接入方式下的嵌入式路由器，降低了传统嵌入式路由器系统实现复杂度，降低了成本。本发明中的嵌入式路由器无需传统路由器设计中所需的复杂的路由表维护网络地址信息，也无需进行路径选择，路由算法设计简洁，代码开销小，是应用于嵌入式操作系统的低成本路由器方案。 

附图说明

图1是本发明实现嵌入式路由器实现的系统架构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

本发明提供的嵌入式路由器的实现方法，包括嵌入式终端网络接入方式判别模块；内置DHCP服务器模块用于提供网络参数；网络数据包过滤模块按照基于网络层(IP层)的包过滤规则，检查所有流经嵌入式终端的网络数据包；网络地址转换模块将内部IP地址转换成公网地址，从而实现内部网络与外部网络通信。 

嵌入式终端网络接入方式判别模块在链路层实现PPPoE分组与以太网分组识别与区分。内置DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)服务器模块向另外一台终端自动分配可用的私网IP地址以及传送附加的IP配置信息，如子网掩码、网关IP地址、网络接口最大分组长度等信息。数据包过滤模块通过分析数据包的地址、协议、端口对两个或多个网络之间传输的数据包按照一定的安全策略来实施检查，以决定网络之间的通信是否被允许，从而提高系统的性能和安全性。网络地址转换模块提供一种快速的私网和公网IP地址相互转换方案，从而允许具有私有IP地址的内部网络访问因特网。该模块还包括网络分组IP校验和、UDP效验和与TCP校验和的重新计算等操作。 

参照图1所示，本发明中的嵌入式路由器通过以下方式实现ADSL接入方式下对另外终端的路由功能： 

内置DHCP服务器按照如下方式操作： 

嵌入式终端通过ADSL接入方式登陆到网络后，将被分配到公网IP地址和域名服务器地址等网络参数。此时嵌入式终端具有两个IP地址，一个为被分配到的公网IP地址，一个为私有IP地址，该私有IP地址作为在以太网链路中使用的IP地址，实现与另外终端的以太网通信。 

当嵌入式终端通过ADSL接入方式登陆网络成功后，将启动内置DHCP服务器， 向另外一台终端提供IP地址等网络参数。DHCP是用于动态分配IP地址的服务，由于公共IP地址的紧缺，本发明中嵌入式终端内部实现的DHCP服务器为其子网中各终端提供私有IP地址等网络参数。具体功能如下： 

1)当DHCP服务器接收到来自以太网链路的DHCP协议发现(DISCOVER)分组后，记录该分组中的硬件地址信息，并广播发送具有以下信息的DHCP协议提议(OFFER)分组：IP地址将从嵌入式终端内部缓存的私有IP地址中选择一个；子网掩码为255.255.255.0；网关为嵌入式终端的私网IP地址；域名服务器地址为嵌入式终端的域名服务器地址；网络接口的最大分组长度为1492。 

2)当DHCP服务器接收到来自以太网链路的DHCP协议请求(REQUEST)分组时，检查该分组中的硬件地址信息，如果与记录项中的硬件地址信息一致，则广播发送具有以下信息的DHCP协议提议(ACK)分组：IP地址为嵌入式终端DHCP服务器所提供的私网IP地址；子网掩码为255.255.255.0；网关为嵌入式终端的私网IP地址；域名服务器地址为嵌入式终端的域名服务器地址；网络接口的最大分组长度为1492。否则不作任何处理。 

3)当嵌入式终端退出网络、终止ADSL连接后，DHCP服务器关闭。 

嵌入式终端网络接入方式判别按照如下方式操作： 

为了实现PPPoE网络接入方式和局域以太网接入方式的区分处理，嵌入式终端加入了网络接入方式判别模块，具体实现为首先在TCP/IP协议栈存储分组的缓冲区结构中，添加表征以太网与PPPoE链路分组的标志变量；然后当从网卡接收到分组后，在链路层解析分组中第13个和第14个字节；如果这两个字节分别为0x88、0x63或0x88、0x64，则该分组为PPPoE链路分组，将表征标志设置为PPPoE分组；否则，设置表征标志为以太网分组。 

数据包过滤按照如下方式操作： 

嵌入式终端的数据包过滤模块按照基于网络层(IP层)的包过滤规则，检查所有流经嵌入式终端的网络数据包。如果一个数据包满足所有规则，过滤路由器把数据包向上层提交，或转发此数据包，否则就丢弃此包。传统的路由器用于进行包过滤时，需要进行的运算非常大，对路由器的CPU和内存的需要都非常大。本发明中根据嵌入式终端的应用需求，设计的IP分组转发和接收规则，克服了传统路由器运算量大，实现代价高的不足，具有速度快、效率高的特点。数据包过滤规则具体说明如下： 

1)对于私网到公网数据包的转发，首先进行私网到公网的网络地址转换(后续将详细介绍)，然后转发至外部网络； 

2)对于公网到私网数据包的转发，首先进行公网到私网的网络地址转换(后续将详细介绍)，然后转发外部网络分组至对应的私有IP地址终端； 

3)对于到达嵌入式终端的来自另外私网终端的以太网分组，根据嵌入式终端的网络应用确定是否应该接收。例如，在嵌入式VoIP(Voice over Internet Protocol)适配器中，需要向用户提供Web接口实现配置和升级等，针对这样的网络应用，就需要接收来至内网的端口为特定端口(例如80)的TCP分组； 

4)对于到达嵌入式终端的来自外部网络的网络分组，根据嵌入式终端的网络应用确定外部网络分组是否应该接收。例如，在嵌入式VoIP适配器中，如果使用SIP协议，在一般情况下仅需要接收UDP分组即可完成注册和通话等功能，因此，仅需要接收SIP协议端口(例如5060)以及RTP协议端口的UDP分组。 

网络地址转换按照如下方式操作： 

网络地址转换模块位于网络层，提供一种快速的私网和公网IP地址相互转换方案，从而允许具有私有IP地址的内部网络访问因特网。具体如下： 

1)本发明中的与嵌入式网络相连的各终端的私有IP地址均映射为嵌入式终端公网IP地址。为了保证外网可以准确的访问到内网中的终端，本嵌入式终端中维护占用端口映射列表。占用端口映射列表中保存有相应IP地址的内部子网终端当前使用的端口与对应的外部端口。占用端口映射列表由一个指针数组和多个占用端口映射链表构成，数组单元个数为该嵌入式终端所支持的最大子网终端数目N，内容指向相应IP地址的占用端口映射链表的首地址；占用端口映射链表中保存相应IP地址当前使用的端口映射关系。外部端口范围设置为2049～61184，根据最大支持子网终端数目分为N组，第i组包含端口的数值x为{x|2049+m*i+j，m＝INT(59136/N)，0≤j≤m)}。 

2)当嵌入式终端接收到来自内部终端IP地址和端口的数据包时，网络地址转换模块将根据IP地址查询相应的占用端口映射链表中是否存在该端口的映射关系，如果存在，则按照存在的映射关系，将内部IP地址和端口的转换为嵌入式终端的公网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发；如果不存在，则按照查找过程中，获取到该组最小的未占用端口，生成端口映射关系，存入该端口占用映射链表中，并按照该映射关系将内部IP地址和端口的转换为嵌入式终端的公 网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发。 

3)当嵌入式终端接收到来自外网的网络分组时，网络地址转换模块根据目的端口，计算出接收的内部子网终端的IP地址，并查找相应的占用端口映射链表中是否存在该外部端口的映射关系，如果不存在端口映射的匹配信息，不进行向内网的数据包转发，并丢弃该数据包；如果存在端口映射关系，则将数据包目标字段中的外部IP地址和外部端口替换为内网对应的私有IP地址和内部端口，从而将外网数据包转发到内网终端。 

4)当网络地址转换模块改变了某个网路分组的IP地址和端口号时，需要重新计算该网络分组IP校验和，UDP校验和和TCP校验和，并给予更新。本发明中采用了RFC1624中增量重新计算上述校验和的方法，该方法运算量小，能够有效节约嵌入式指令和数据存储空间，加快路由转发速度。RFC(Request For Comments)由一系列草案组成，起始于1969年(第一个RFC文档发布于1969年4月7日)，RFC文档是一系列关于Internet(早期为ARPANET)的技术资料汇编。这些文档详细讨论了计算机网络的方方面面，重点在网络协议，进程，程序，概念以及一些会议纪要，意见，各种观点等。RFC1624中的校验和增量计算方法具体描述如下： 

当发送IP包时，需要计算IP报头的校验和： 

1)把校验和字段置为0； 

2)对IP头部中的每16比特进行二进制求和； 

3)如果和的高16比特不为0，则将和的高16比特和低16比特反复相加，直到和的高16比特为0，从而获得一个16比特的值； 

4)将该16比特的值取反，存入校验和字段。 

当接收IP包时，需要对报头进行确认，检查IP头是否有误，算法同上2)、3)步，然后判断取反的结果是否为0，是则正确，否则有错。 

当重新计算IP包头的校验和时，为了减小运算量，提高路由的转发速度，采用以下方法： 

设HC为旧的数据包头校验和，HC’为新的数据包头校验和， 

m为16位字段旧值，m’为修改后的16位字段新值 

则 HC’＝~(~HC+~m+m’) 

例如，UDP首部16位源端口号为0X1057，经过网络地址转换后将UDP首部16位源端口号映射为0X1489，旧UDP包头校验和为0X8BD1，则新的UDP包头 校验和为： 

HC’＝~(~HC+~m+m’)＝~(~0X8BD1+~0X1057+0X1489) 

＝~(0X742E+0XEFA8+0X1489)＝0X879F 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (4)

1.一种实现嵌入式路由器终端的方法，包括如下步骤：

1)对不同的网络进行识别；

2)对识别的不同网络分配网络参数；

3)对网络数据包进行过滤；其中，设置过滤数据包的规则为：

(1)对于私网到公网数据包的转发，首先进行私网到公网的网络地址转换，然后转发至外部网络；

(2)对于公网到私网数据包的转发，首先进行公网到私网的网络地址转换，然后转发外部网络分组至对应的私有IP地址终端；

(3)对于到达嵌入式路由器终端的来自另外私网终端的以太网分组，根据嵌入式路由器终端的网络应用确定是否应该接收；其中，在嵌入式VoIP适配器中，需要向用户提供Web接口实现配置和升级，针对这样的网络应用，就需要接收来至内网的端口为特定端口的TCP分组；

(4)对于到达嵌入式路由器终端的来自外部网络的网络分组，根据嵌入式路由器终端的网络应用确定外部网络分组是否应该接收；其中，在嵌入式VoIP适配器中，如果使用SIP协议，需要接收UDP分组即完成注册和通话功能，因此，仅需要接收SIP协议端口以及RTP协议端口的UDP分组；

4)对需要发送或接收的数据包的网络地址进行转换，发送或接收数据包；其中，具体包括如下步骤：

(1)与嵌入式路由器相连的各终端的私有IP地址均通过网络端口映射为嵌入式终端公网IP地址；占用端口映射列表中的外部端口范围设置为2049～61184，根据最大支持子网终端数目分为N组，第i组包含端口的数值x为{x|2049+m*i+j，m＝INT(59136/N)，0≤j≤m)}；

(2)当嵌入式路由器接收到来自内部终端IP地址和端口的数据包时，网络地址转换模块将根据IP地址查询相应的占用端口映射链表中是否存在该端口的映射关系，如果存在，则按照存在的映射关系，将内部IP地址和端口转换为嵌入式终端的公网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发；如果不存在，则按照查找过程中，获取到该组最小的未占用端口，生成端口映射关系，存入该端口占用映射链表中，并按照该映射关系将内部IP地址和端口转换为嵌入式终端的公网IP地址和映射的外部端口，并通过PPPoE链路进行转发；

(3)当嵌入式路由器接收到来自外网的网络分组时，网络地址转换模块根据目的端口，计算出接收的内部子网终端的IP地址，并查找相应的占用端口映射链表中是否存在该外部端口的映射关系，如果不存在端口映射的匹配信息，不进行向内网的数据包转发，并丢弃该数据包；如果存在端口映射关系，则将数据包目标字段中的外部IP地址和外部端口替换为内网对应的私有IP地址和内部端口，从而将外网数据包转发到内网终端；

(4)当网络地址转换模块改变了某个网络分组的IP地址和端口号时，需要重新计算该网络分组IP校验和，UDP校验和和TCP校验和，并给予更新。

2.根据权利要求1所述实现嵌入式路由器终端的方法，其特征在于，所述步骤1)中，是对以太网和PPPoE网络进行识别。

3.根据权利要求2所述实现嵌入式路由器终端的方法，其特征在于，对以太网和PPPoE网络进行识别的步骤具体包括：

(1)在TCP/IP协议栈存储分组的缓冲区结构中，添加表征以太网与PPPoE链路分组的标志变量；

(2)当接收到分组后，在链路层解析分组中第13个和第14个字节；如果这两个字节分别为0x88、0x63或0x88、0x64，则该分组为PPPoE链路分组，将表征标志设置为PPPoE分组；否则，设置表征标志为以太网分组。

4.根据权利要求1所述实现嵌入式路由器终端的方法，其特征在于，所述步骤2)中分配网络参数的过程具体包括：

(1)为该嵌入式路由器设置公网IP地址和私有IP地址；

(2)启动动态主机配置协议服务器，向连接到该嵌入式路由器的所有终端提供网络参数。

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