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-- 發布時間：2010-11-19 9:16:41
-- 無線局域網的嵌入式硬件實現方案
| 摘 要: 本文主要研究了無線局域網的AP的嵌入式實現方案。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 實現方案。
關鍵字: 無線局域網, MPC860, 嵌入式 1、引言 MAC層協議的研究為設計并實現MAC層硬件,進而最終實現安全無線局域網（SWLAN）打下了良好基礎。只有對整個SWLAN系統有了充分認識,才能明確后續工作的重點,制定出合理的計劃和MAC層實現方案,因此有必要從系統的角度對整個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 1 SWLAN 研究內容 由于PHY層和LLC層的協議內容相對固定,在安全無線局域網中可以采用現成的硬件及軟件來實現,對于安全性的考慮主要放在了MAC層的研究和實現上,即在MAC層內部實現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一個穩定、可靠、安全的MAC層體系。 MAC層協議實現中包含的內容包括:DCF接入控制協議、PCF接入控制協議、MAC層管理、強的認證與加密技術、認證密鑰管理、協議轉換等。MAC層硬件實現為MAC層協議的加載提供硬件平臺和擴充基礎。MAC層硬件實現需要提供與IEEE 802.3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層研究與實現的最終目的是為了實現安全無線局域網,而安全無線局域網實現中的關鍵環節就是在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MAC層協議,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機制,而且即使能夠得到實現細節,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,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境的安全套件。同時給今后進一步得研究與開發提供了平臺和經驗。 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。 3、Linux 嵌入式操作系統以及MPC860 硬件形式的嵌入系統多為專用的或可編程控制的芯片,是最主要的嵌入式系統,而軟件形式的嵌入式系統則主要是各種專門用途的控制軟件系統。很多的嵌入式系統還沒有使用操作系統,它們僅僅包含一些控制流程而已。在嵌入式系統相對簡單的情況下,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。 （1） 它具有很好的工具,可以跨越ICE等屏障。 （2） 滿足實時性時要求。 （3） 嵌入式Linux健壯可靠。 嵌入式的Linux系統也有缺點。和某些商業操作系統一樣,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（embedded PowerPC core）和通訊處理器模塊（CPM, Communications Processor Module）的雙處理器的結構,片內的數據和指令 cache, I/O 腳的數目,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。 MPC860 PowerQUICC （Quad Integrated Communications Controller） 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的在網絡和數據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。MPC860 PowerQUICC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, Serial Communication Controller）,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, Serial Management Channels）、一個串行外圍接口電路（SPI, Serial Peripheral Interface）和一個 I2C（Inter-Integrated Circuit）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的體系結構的處理器。MPC860微處理器構架如圖2所示。
 圖2 Intersil 公司 IEEE802.11 物理層 PHY 的實現框圖 綜合以上硬件平臺實現的協議分析和方案分析,并根據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方案,該方案的實現部分主要包括 IEEE802.11 MAC層協議實現和物理層（PHY）的硬件實現,具體結構框圖如圖3所示。
 圖 3 無線網卡/AP 硬件實現模塊框圖 由此可見,硬件實現方案的工作內容主要包括:IEEE802.11 MAC 層協議的實現和物理層的硬件實現。其中,MAC層協議實現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 的硬件實現方案 物理層（PHY）功能實現模塊主要包括:基帶處理、中頻調制、中頻射頻轉換及射頻的發射/接收,在此,我們準備采用 Intersil 公司的物理層（PHY）套片來實現,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: 可變數據率 11, 5.5, 2 和 1Mbps; 頻率寬度 2.4GHz ISM 帶寬; 靈敏度（誤碼率 8xE-5）,-83dBm（11Mbps）; 發射功率輸出 最小值為 14.8dBm,典型值為 16.2dBm,最大值為 17.0dBm; 雙模式 IEEE 802.11b - 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送和接收,我們可以直接采用以上的原理圖來實現。對于PHY層和MAC層的接口需要我們自己根據需要來設計和實現。 5、MAC層控制功能的硬件實現方案 IEEE802.11 MAC層的硬件實現是整個硬件方案中最重要的部分,只有在獨立自主地實現了整個IEEE802.11 MAC協議后,我們才能進一步實現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 層協議棧我們采用微處理器來開發編程,綜合考慮成本和實現的可靠性,選擇了基于Linux嵌入式操作系統和 MPC860 的開發板來實現IEEE802.11 MAC 協議。因此,在確保無線局域網安全系數的前提下,如何把整個 MAC 層協議與認證協議、加密/解密算法完整的結合起來,是本項目的關鍵所在。由以上的硬件實現理論分析和 Linux 的開發環境的特點,可以分析出 MAC層控制協議與認證協議、加密/解密算法在 Linux 嵌入式操作系統中的關系。
 圖 4 IEEE802.11MAC協議實現構架框圖 由上圖可以看出,無線局域網設備在具體實現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、IEEE802.11 MAC 協議控制模塊及加密/解密模塊。根據各個模塊的實現的成本和效率,針對不同的模塊采用不同開發方案。 IEEE802.11 MAC層開發板中 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,而無線局域網硬件設備的接口驅動程序必須根據Intersil公司物理層套片的硬件特性進行自主的設計和開發。 認證密鑰管理模塊根據其實現的靈活性和可擴充性,在 MAC層之上實現相對較靈活,同時可以節省 MAC的硬件實現的資源占用。加密/解密模塊由于其算法的復雜性,軟件實現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 IEEE802.11 MAC層內部,采用硬件來實現。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。IEEE802.11 MAC控制協議完全在微處理器 MPC860內部實現,可以采用宿主機-目標板的開發模式,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開發板中實現IEEE802.11 MAC的控制協議。 6、小結與本文作者創新點 本文首先介紹了安全無線局域網研究的主要內容,以及MAC層硬件實現在其中所處的基礎地位,并提出了設計的思路。系統分析了Linux嵌入式操作系統的特點,介紹了MPC860微處理器的性能特點和主要功能,提出了基于Linux嵌入式操作系統和MPC860處理器的無線設備硬件開發方案,為以后的硬件設計和實現提供理論基礎和指導思路。 |