摘要:本文主要研究了無線局域網的AP的嵌入式實現(xiàn)方案。首先介紹了安全無線局域網及其研究對象與設計思路,其次在詳細介紹Linux嵌入式操作系統(tǒng)及微處理器MPC860的基礎上提出了基于Linux和MPC860的嵌入式MAC實現(xiàn)方案。

關鍵字:無線局域網,MPC860,嵌入式

1、引言

　　MAC層協(xié)議的研究為設計并實現(xiàn)MAC層硬件,進而最終實現(xiàn)安全無線局域網（SWLAN）打下了良好基礎。只有對整個SWLAN系統(tǒng)有了充分認識,才能明確后續(xù)工作的重點,制定出合理的計劃和MAC層實現(xiàn)方案,因此有必要從系統(tǒng)的角度對整個SWLAN體系結構進行了解。安全無線局域網的研究對象可以用圖1表示:

圖1SWLAN研究內容

　　由于PHY層和LLC層的協(xié)議內容相對固定,在安全無線局域網中可以采用現(xiàn)成的硬件及軟件來實現(xiàn),對于安全性的考慮主要放在了MAC層的研究和實現(xiàn)上,即在MAC層內部實現(xiàn)可靠的加密和認證等安全措施。因此目前安全無線局域網研究的關鍵技術在于如何實現(xiàn)一個穩(wěn)定、可靠、安全的MAC層體系。

　　MAC層協(xié)議實現(xiàn)中包含的內容包括:DCF接入控制協(xié)議、PCF接入控制協(xié)議、MAC層管理、強的認證與加密技術、認證密鑰管理、協(xié)議轉換等。MAC層硬件實現(xiàn)為MAC層協(xié)議的加載提供硬件平臺和擴充基礎。MAC層硬件實現(xiàn)需要提供與IEEE802.3有線網絡的以太網接口和與物理層的PCMCIA接口。

2、設計思路

　　無線局域網MAC層研究與實現(xiàn)的最終目的是為了實現(xiàn)安全無線局域網,而安全無線局域網實現(xiàn)中的關鍵環(huán)節(jié)就是在MAC層硬件基礎上進行修改,添加進新的認證與加密機制等安全措施。實現(xiàn)這種修改主要有兩種方法:一種是使用已有的商用化的無線局域網設備,首先研究其原理與實現(xiàn)方式,再把需要修改的地方添加進去。另一種方法是完全自主研究并實現(xiàn)MAC層協(xié)議,設計出硬件電路板,并在其中添加需要的模塊。

　　第一種方法局限性很大,對于已經商用的無線局域網設備由于知識產權的限制,很難詳細了解其內部實現(xiàn)機制,而且即使能夠得到實現(xiàn)細節(jié),由于產品已經做成了成品,在其上進行修改非常困難。因此這種利用其它廠商產品進行改進的方法是不現(xiàn)實的。

　　第二種方法則具有相當大的靈活性,由于硬件設備自行開發(fā),對于軟件硬件都可以從頭開始,按照需要進行設計和完善。安全模塊的軟件和硬件都能無縫的集成到局域網設備中,而且在需要時可以自行升級成符合當前環(huán)境的安全套件。同時給今后進一步得研究與開發(fā)提供了平臺和經驗。

　　綜合上述考慮,我們采用第二種方法設計出具有自主知識產權的安全無線局域網MAC層的硬件電路板,并植入相應的安全管理與控制軟件,最終構成整個SWLAN系統(tǒng)。

3、Linux嵌入式操作系統(tǒng)以及MPC860

　　硬件形式的嵌入系統(tǒng)多為專用的或可編程控制的芯片,是最主要的嵌入式系統(tǒng),而軟件形式的嵌入式系統(tǒng)則主要是各種專門用途的控制軟件系統(tǒng)。很多的嵌入式系統(tǒng)還沒有使用操作系統(tǒng),它們僅僅包含一些控制流程而已。在嵌入式系統(tǒng)相對簡單的情況下,這些控制流足以應付。但是,當嵌入式系統(tǒng)的功能復雜后,簡單控制邏輯就不夠用了,這時必須使用操作系統(tǒng)。

　?。?）它具有很好的工具,可以跨越ICE等屏障。

　?。?）滿足實時性時要求。

　?。?）嵌入式Linux健壯可靠。

　　嵌入式的Linux系統(tǒng)也有缺點。和某些商業(yè)操作系統(tǒng)一樣,占用較大的內存。

　　MPC860系列處理器是迄今為止摩托羅拉推出的PowerQUICC家族中,被廣泛使用的通訊處理器。它們是嵌入式處理器內核（embeddedPowerPCcore）和通訊處理器模塊（CPM,CommunicationsProcessorModule）的雙處理器的結構,片內的數(shù)據(jù)和指令cache,I/O腳的數(shù)目,一個實時時鐘,低功耗特性和一個增強的存儲控制器,性能遠勝于68360QUICC。

　　MPC860PowerQUICC（QuadIntegratedCommunicationsController）內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件,特別適用于通信產品。PowerQUICC可以被稱為MC68360的在網絡和數(shù)據(jù)通信領域的新一代產品,提高了器件運行的各方面性能,包括器件的適應性、擴展能力和集成度等。MPC860PowerQUICC集成了兩個處理塊。一個處理塊是嵌入的PowerPC核,另一個是通信處理模塊（CPM）,通信處理模塊支持四個串行通信控制器（SCC,SerialCommunicationController）,而實際上它有八個串行通道:四個SCC,兩個串行管理控制器（SMC,SerialManagementChannels）、一個串行外圍接口電路（SPI,SerialPeripheralInterface）和一個I2C（Inter-IntegratedCircuit）接口。由于CPM分擔了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務,這種雙處理器體系結構功耗要低于傳統(tǒng)的體系結構的處理器。MPC860微處理器構架如圖2所示。

圖2Intersil公司IEEE802.11物理層PHY的實現(xiàn)框圖

　　綜合以上硬件平臺實現(xiàn)的協(xié)議分析和方案分析,并根據(jù)無線局域網安全性研究項目的整體安排,結合市場上各種應用芯片的性價比,初步擬出硬件平臺的實現(xiàn)方案,該方案的實現(xiàn)部分主要包括IEEE802.11MAC層協(xié)議實現(xiàn)和物理層（PHY）的硬件實現(xiàn),具體結構框圖如圖3所示。

圖3無線網卡/AP硬件實現(xiàn)模塊框圖

　　由此可見,硬件實現(xiàn)方案的工作內容主要包括:IEEE802.11MAC層協(xié)議的實現(xiàn)和物理層的硬件實現(xiàn)。其中,MAC層協(xié)議實現(xiàn)還必須考慮接口模塊的設計及接口的驅動程序。

4、物理層PHY的硬件實現(xiàn)方案

　　物理層（PHY）功能實現(xiàn)模塊主要包括:基帶處理、中頻調制、中頻射頻轉換及射頻的發(fā)射/接收,在此,我們準備采用Intersil公司的物理層（PHY）套片來實現(xiàn),其主要包括:

　　HFA3863-帶耙子（Rake）接收和均衡器的基帶處理器;

　　HFA3783-I/Q調制/解制器和混頻器;

　　HFA3683A-2.4GHz射頻/中頻轉換器和混頻器;

　　HFA3983-2.4GHz內置功率放大器的檢測器。

　　性能指標:

　　可變數(shù)據(jù)率11,5.5,2和1Mbps;

　　頻率寬度2.4GHzISM帶寬;

　　靈敏度（誤碼率8xE-5）,-83dBm（11Mbps）;

　　發(fā)射功率輸出最小值為14.8dBm,典型值為16.2dBm,最大值為17.0dBm;

　　雙模式IEEE802.11b-2,5.5及11Mbps;

　　通信距離125英尺室內距離（11Mbps）。

　　具體物理層PHY實現(xiàn)方案的框圖結構如圖4所示。

　　對于物理層PHY的基帶處理、中頻調制/解調、中頻/射頻轉換及射頻的發(fā)送和接收,我們可以直接采用以上的原理圖來實現(xiàn)。對于PHY層和MAC層的接口需要我們自己根據(jù)需要來設計和實現(xiàn)。

5、MAC層控制功能的硬件實現(xiàn)方案

　　IEEE802.11MAC層的硬件實現(xiàn)是整個硬件方案中最重要的部分,只有在獨立自主地實現(xiàn)了整個IEEE802.11MAC協(xié)議后,我們才能進一步實現(xiàn)無線局域網的安全保證:認證機制和加密算法。因此,對于IEEE802.11MAC層協(xié)議棧我們采用微處理器來開發(fā)編程,綜合考慮成本和實現(xiàn)的可靠性,選擇了基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)和MPC860的開發(fā)板來實現(xiàn)IEEE802.11MAC協(xié)議。因此,在確保無線局域網安全系數(shù)的前提下,如何把整個MAC層協(xié)議與認證協(xié)議、加密/解密算法完整的結合起來,是本項目的關鍵所在。由以上的硬件實現(xiàn)理論分析和Linux的開發(fā)環(huán)境的特點,可以分析出MAC層控制協(xié)議與認證協(xié)議、加密/解密算法在Linux嵌入式操作系統(tǒng)中的關系。

圖4IEEE802.11MAC協(xié)議實現(xiàn)構架框圖

　　由上圖可以看出,無線局域網設備在具體實現(xiàn)中可以分為以下幾個模塊:物理層（PHY）硬件模塊、認證密鑰管理模塊、IEEE802.11MAC協(xié)議控制模塊及加密/解密模塊。根據(jù)各個模塊的實現(xiàn)的成本和效率,針對不同的模塊采用不同開發(fā)方案。

　　IEEE802.11MAC層開發(fā)板中MPC860與物理層的接口驅動主要有IEEE802.3以太網硬件設備接口驅動模塊和IEEE802.11無線局域網物理層硬件設備接口驅動模塊。其中,以太網硬件設備的接口驅動可以參考Linux內核dev目錄下的已有驅動程序的源代碼進行開發(fā),而無線局域網硬件設備的接口驅動程序必須根據(jù)Intersil公司物理層套片的硬件特性進行自主的設計和開發(fā)。

　　認證密鑰管理模塊根據(jù)其實現(xiàn)的靈活性和可擴充性,在MAC層之上實現(xiàn)相對較靈活,同時可以節(jié)省MAC的硬件實現(xiàn)的資源占用。加密/解密模塊由于其算法的復雜性,軟件實現(xiàn)在速率上達不到要求,所以,在最終的硬件方案中,加密/解密算法必須集成到IEEE802.11MAC層內部,采用硬件來實現(xiàn)。這樣,就可以解決加密/解密模塊在整個安全無線局域網中傳輸速率的瓶頸限制。IEEE802.11MAC控制協(xié)議完全在微處理器MPC860內部實現(xiàn),可以采用宿主機-目標板的開發(fā)模式,首先在宿主機（個人PC）上進行軟件的編程、調試、仿真,在完全達到性能要求后,再把匯編后的二進制映像文件下載到目標板中,最終就可以在MPC860開發(fā)板中實現(xiàn)IEEE802.11MAC的控制協(xié)議。

6、小結與本文作者創(chuàng)新點

　　本文首先介紹了安全無線局域網研究的主要內容,以及MAC層硬件實現(xiàn)在其中所處的基礎地位,并提出了設計的思路。系統(tǒng)分析了Linux嵌入式操作系統(tǒng)的特點,介紹了MPC860微處理器的性能特點和主要功能,提出了基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)和MPC860處理器的無線設備硬件開發(fā)方案,為以后的硬件設計和實現(xiàn)提供理論基礎和指導思路。

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