基于開(kāi)源路由技術(shù)的低功耗無(wú)線路由器研究

蔣博，曾連蓀

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海201306）

引 言

Wi－Fi無(wú)線接入技術(shù)基于IEEE802.11協(xié)議，是目前無(wú)線通信中最常用的無(wú)線接入技術(shù)。然而，Wi－Fi無(wú)線接入技術(shù)有一個(gè)致命弱點(diǎn)——功耗高。因此，如何降低Wi－Fi無(wú)線接入技術(shù)的功耗成為了急需解決的問(wèn)題。移動(dòng)終端通過(guò)無(wú)線路由器提供的Wi－Fi信號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)或者進(jìn)行定位服務(wù)，然而由于Wi－Fi的高功耗使得無(wú)線路由器必須一直連接電源才能保持正常工作，這就嚴(yán)重限制了人們的使用范圍。我們希望在沒(méi)有電源接入的地方（比如古老景區(qū)、歷史遺跡）也可以使用無(wú)線路由器，為移動(dòng)終端提供服務(wù)。

1 IEEE802.11協(xié)議

IEEE802.11協(xié)議是由美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）開(kāi)發(fā)的一組無(wú)線傳輸協(xié)議。這些協(xié)議定義了無(wú)線站點(diǎn)（或接入點(diǎn)）之間兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線站點(diǎn)之間的通信的接口。該協(xié)議主要包含物理層和MAC層，主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，本文主要研究該協(xié)議的MAC層。

IEEE802.11協(xié)議定義幀包含以下幾個(gè)部分：

◆MAC頭部。包含幀控制、持續(xù)時(shí)間、地址和排隊(duì)控制信息。

◆有效長(zhǎng)度的幀體。包含幀信息、幀類型。

◆FCS。包含CRC校驗(yàn)的信息。

控制幀：主要用于協(xié)助數(shù)據(jù)幀的傳遞，所有控制幀都使用相同的Frame Control字段。

管理幀：負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供認(rèn)證和連接服務(wù)，包括連接請(qǐng)求／響應(yīng)、輪詢請(qǐng)求／響應(yīng)、Beacon幀等。

Beacon幀：主要聲明網(wǎng)絡(luò)的存在。定期傳送的信標(biāo)可以讓移動(dòng)式工作站得知該網(wǎng)絡(luò)的存在，從而調(diào)整加入該網(wǎng)絡(luò)所必需的參數(shù)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，接入點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送Beacon幀。

由圖1的IEEE802.11協(xié)議幀結(jié)構(gòu)可以看出，如果僅僅保留IEEE802.11協(xié)議廣播Beacon幀功能的話，則只需發(fā)送很少的數(shù)據(jù)，可以大大地降低功耗，而且我們還可以通過(guò)開(kāi)源路由技術(shù)修改IEEE802.11協(xié)議來(lái)達(dá)到降低功耗的目的。

2 開(kāi)源路由技術(shù)

圖2為TCP／IP與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出路由器是工作在OSI模型中的第3層，即網(wǎng)絡(luò)層。同時(shí)也是TCP／IP協(xié)議的第3層，即網(wǎng)際層。路由器利用網(wǎng)絡(luò)層定義的“邏輯”網(wǎng)絡(luò)地址（即IP地址）來(lái)區(qū)別不同的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和隔離，保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。路由器不轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)均被送到路由器，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖1 IEEE802.11協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

圖2 TCP／IP與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

無(wú)線路由器是基于開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)，然而商業(yè)路由器為了保護(hù)自己的技術(shù)是不會(huì)把固件源碼公開(kāi)的，因此不能由第三方軟件開(kāi)發(fā)者直接對(duì)其固件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。自從Linksys釋放WRT54G／GS的源碼后，開(kāi)源軟件愛(ài)好者開(kāi)發(fā)出很多不同版本的固件，以增強(qiáng)原有的功能或者增加原來(lái)沒(méi)有的功能。下面是主流的無(wú)線路由的Linux發(fā)行版：

①Open－WRT。國(guó)內(nèi)最早興起刷固件行動(dòng)的人基本上都是將自己的設(shè)備刷新成Open－WRT，由此可見(jiàn)Open－WRT具有極大的影響力。該固件通過(guò)SSH加密協(xié)議來(lái)配置，與Cisco設(shè)備在很多指令和操作上類似。

②DD－WRT。該固件是國(guó)內(nèi)外目前最為流行的固件之一，它是在Open－WRT固件的基礎(chǔ)上改進(jìn)后發(fā)布的，很多功能都是取自O(shè)pen－WRT。在應(yīng)用范圍上DD－WRT支持極多的硬件平臺(tái)，并且新版本的發(fā)布也很及時(shí)。

③Hyper－WRT。該固件是以穩(wěn)定著稱的第三方固件，不過(guò)功能上要比前兩種稍遜一籌。從核心代碼上看，它是最接近Linksys官方固件的固件。對(duì)很多用戶來(lái)說(shuō)，新功能、新應(yīng)用的出現(xiàn)是他們刷新固件的主要?jiǎng)恿?，如果只是要求單一的穩(wěn)定，那么直接使用官方默認(rèn)固件即可。

④Tomato。這是一款逐漸流行的固件，個(gè)頭比較小，實(shí)際使用起來(lái)非常穩(wěn)定，而且基于SVG的圖形化流量圖非常有特色。它是由Hyper－WRT研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的一個(gè)組員開(kāi)發(fā)的。

本文選用的第三方固件是Open－WRT，之所以選擇Open－WRT是因?yàn)樗峭耆_(kāi)源的，方便編譯和配置，有對(duì)應(yīng)路由器所需要的固件，重新刷固件也很方便。

3 低功耗無(wú)線路由器的實(shí)際應(yīng)用

眾所周知，在古老歷史遺跡和古老景區(qū)內(nèi)是很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入的，主要原因是布線困難，因?yàn)椴季€會(huì)對(duì)歷史遺跡產(chǎn)生損害。這時(shí)候就需要離線的導(dǎo)游導(dǎo)覽系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧景點(diǎn)的建設(shè)。本文研究的系統(tǒng)就是基于離線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（Mobile Internet Device，MID）的導(dǎo)游導(dǎo)覽系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)線路由器所要實(shí)現(xiàn)的功能是以固定間隔發(fā)送廣播幀，游客在游玩的時(shí)候，MID會(huì)根據(jù)廣播幀的信號(hào)強(qiáng)度和SSID號(hào)來(lái)判斷游客所在的位置，同時(shí)自動(dòng)播放游客所到景點(diǎn)的視頻和語(yǔ)音介紹信息。

在這個(gè)系統(tǒng)中無(wú)線路由器只需要提供以固定間隔發(fā)送廣播幀的功能即可。由路由器的工作原理和IEEE802.11協(xié)議幀結(jié)構(gòu)可以看出，無(wú)線路由器的功耗主要在數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)現(xiàn)其路由功能上面，而發(fā)送廣播幀的功耗很低。由此想到，如果將路由器的路由功能禁止并且不讓其傳輸數(shù)據(jù)，只讓其以固定間隔發(fā)送廣播幀，那么將會(huì)大大降低功耗，而我們需要的這些功能是可以通過(guò)修改第三方固件Open－WRT實(shí)現(xiàn)的。

4 無(wú)線路由器和Open－WRT固件的選擇

經(jīng)調(diào)查研究各種路由器，最終選擇了中興公司的H118B路由器，使用的是BCM5354芯片，支持DD－WRT、Open－WRT等主流第三方固件，此款路由器的硬件配置是：8MB Flash、32MB ROM、BCM5354CPU。

從Open－WRT官網(wǎng)上查得支持BCM5354芯片的固件是 openwrt－brcm47xx－squashfs.trx。準(zhǔn) 備 好 路 由 器 和固件之后，就是將固件刷入路由器以覆蓋原來(lái)的固件，使用tftp方式進(jìn)行刷機(jī)。當(dāng)刷機(jī)成功后，用telnet登錄路由器會(huì)顯示結(jié)果。刷機(jī)成功界面如圖3所示。

圖3 刷機(jī)成功界面

刷機(jī)成功之后是鋰電池的準(zhǔn)備，選擇的是輸入電壓12.6V、輸出電壓12V、容量為5000mAh的鋰電池進(jìn)行測(cè)試。

5 Open－WRT固件的修改和測(cè)試

5.1 Open－WRT固件配置的修改

首先，Open－WRT固件的SSID廣播是默認(rèn)隱藏的，需要修改其顯示為SSID。修改方式如下：

◆ 執(zhí)行vi／etc／config／wireless命令；

◆將option disabled 1改為option disabled 0；

◆修改過(guò)之后發(fā)現(xiàn)筆記本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)列表里面顯示的路由器的SSID名稱為openwrt。

然后需要做的事情是禁止路由器的路由功能。修改方式如下：

◆ 輸入vi／etc／sysctl.conf命令；

◆ 將net.ipv4.ip＿forward＝1改為net.ipv4.ip＿forward＝0。

最后需要做的就是改變路由器發(fā)送廣播幀的間隔時(shí)間，路由器的默認(rèn)發(fā)送廣播幀的間隔是100ms，而對(duì)于我們的導(dǎo)覽系統(tǒng)是不需要這么頻繁地發(fā)送廣播幀的。對(duì)于游客來(lái)說(shuō)在100ms之內(nèi)移動(dòng)的距離太短了，所以經(jīng)過(guò)研究最終決定將發(fā)送廣播幀的間隔改為2s。在實(shí)際的游覽景區(qū)中游客行走的很慢，2s的時(shí)間只能行走很短的距離，恰好符合系統(tǒng)的需求。通過(guò)給Open－WRT固件的無(wú)線配置文件加上控制幀，可以改變發(fā)送的間隔。

修改方式如下：

◆ 輸入vi／etc／config／wireless命令；

◆ 在配置文件中加入option beacon＿int 2000，次命令行是將Beacon幀的發(fā)送間隔設(shè)置為2s。

5.2 修改過(guò)程中的測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程共分為兩次：第一次是在刷入固件后不做任何修改的情況下測(cè)試無(wú)線路由器的使用時(shí)間，在12V、5 000mAh供電的情況下，路由器可以使用約8h。第二次是禁止路由功能只發(fā)送廣播幀的情況下，經(jīng)測(cè)試路由器可以持續(xù)工作約42h。

可以得出結(jié)論：在禁止路由功能并且默認(rèn)發(fā)送廣播幀的時(shí)間間隔為100ms的情況下，路由器可以持續(xù)工作約42h；在把路由器發(fā)送廣播幀的時(shí)間間隔改為2s的情況下，路由器大約可以持續(xù)工作800h，固件修改過(guò)程中的無(wú)線路由器工作時(shí)間對(duì)比如圖4所示。

圖4 固件修改過(guò)程中的無(wú)線路由器工作時(shí)間對(duì)比

按照景區(qū)一天開(kāi)放時(shí)間為10h計(jì)算，一塊電池可以給路由器供電80天，這樣基本達(dá)到了我們的要求，因?yàn)閮扇齻€(gè)月給路由器電池充一次電還是比較方便的。

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