智能路由器的軟件架構分析

73049部隊 季 燁 仇賽杰

智能路由器的軟件架構分析

73049部隊 季 燁 仇賽杰

現(xiàn)階段家用電器的發(fā)展已經(jīng)進入到了一個智能時代，智能設備大有井噴之勢。無線路由器作為家庭互聯(lián)網(wǎng)的入口設備，更是不例外的踏入了智能時代。由于軟件控制是其智能的關鍵，本文重點在于論述其軟件系統(tǒng)架構。分析智能路由器的軟件架構特點，并通過對經(jīng)典的開源智能路由器操作系統(tǒng)OpenWrt進行分析，說明了智能路由器的基礎原理。

路由器；智能路由器；openwrt

0 引言

現(xiàn)階段的家用電器的發(fā)展已經(jīng)進入到了一個智能時代，智能設備大有井噴之勢。無線路由器作為家庭互聯(lián)網(wǎng)的入口設備，更是不例外的踏入了智能時代。用戶除了追求路由器的穩(wěn)定性、信號質量、連接強度以外，也越來越關注用戶體驗、路由器的功能拓展、功能的自動化等方面，這樣就是智能路由器孕育而生的原因了。這也就是為什么在當前無線路由器的整體銷量下滑的背景下，智能路由器的使用率逐步提升的原因，大有爆發(fā)性增長的可能。

1 智能路由器的特點

無論是傳統(tǒng)路由器與智能路由器其基本功能都是通過其上的路由協(xié)議，通過相互之間的協(xié)作將IP數(shù)據(jù)包由源端送完宿端。因此就基本功能而言路由器由兩類最基本功能構成，即路由轉發(fā)和控制管理。路由轉發(fā)是將通過路由器的每個報文根據(jù)配置策略轉發(fā)給輸出鏈路，輸出鏈路通過鏈路調度實現(xiàn)高速的轉發(fā)，這個功能一般由硬件實現(xiàn)。而軟件主要在控制管理方面，其包括路由交互表、系統(tǒng)配置、端口配置、協(xié)議配置、安全配置、設備升級、配置備份及恢復、系統(tǒng)管理等控制管理功能［2］。

顯然智能路由器的智能部分主要是軟件方面體現(xiàn)，即在控制管理方面進一步進行擴充，提供智能化的路由器管理，相對于傳統(tǒng)路由器而言，其路由器操作系統(tǒng)除了專用與路由功能的軟件，還可以通過更多擴展應用。

2 智能路由器與傳統(tǒng)路由器的區(qū)別

從軟件的智能功能上來講，智能路由器與傳統(tǒng)路由器的區(qū)別主要在下述幾個方面。

2.1 更人性的用戶體驗

一方面路由器內部提供的用戶界面較之傳統(tǒng)界面更加人性、功能設置更加合理，配置向導更加只能，趨于傻瓜式配置。另一方面，可以提供手機、平板等智能設備通過APP直接進行設置。

2.2 存儲共享

由于智能路由器一般配備內部存儲或外部USB擴展存儲的支持。用戶一方面可以遠程共享這些網(wǎng)絡存儲服務，還可以將視頻緩存在共享存儲中離線觀看。夜間緩存用戶想看的視頻，白天不影響用戶其它網(wǎng)絡訪問。用戶還可上傳資料的時候先上傳到路由器，路由器慢慢上傳，減小用戶對上下行帶寬不一致的感受。

2.3 應用的針對性

對于一些特定的應用其可以提供更優(yōu)先的帶寬，如大量的游戲、網(wǎng)站、視頻、IPTV等。傳統(tǒng)路由器需要復雜的手工設置，而智能路由器可以根據(jù)應用的報頭自動判斷根據(jù)策略及算法動態(tài)配置。

2.4 功能的擴充

傳統(tǒng)路由器只能通過系統(tǒng)整體升級來升級功能，而智能路由器由于具有獨立的操作系統(tǒng)，所以可以通過安裝應用的方式擴充功能。

2.5 內容推薦及過濾

智能路由器可以根據(jù)分析報文，了解用戶的喜好及行為，從而向其推送更加符合用戶需求的信息，如加速某些游戲、定向加速某些網(wǎng)頁的瀏覽等，同時還可以對一些廣告在報文級就自動過濾。

綜上所述，智能路由器較之傳統(tǒng)路由器主要是更加人性，用戶體驗更加合理，同時作為互聯(lián)網(wǎng)入口能夠更好的與其它應用及硬件相融合。

3 智能路由器操作系統(tǒng)簡介

由于智能路由器的本質就是其具有獨立的操作系統(tǒng)，因此智能路由器軟件架構就是智能路由器的操作系統(tǒng)架構。傳統(tǒng)路由器通過對固件升級來擴充其控制功能，顯然這個固件就是一種實時操作系統(tǒng)。智能路由器也提供了一個操作系統(tǒng)，只是在系統(tǒng)設計上更加易于應用的擴展，可以方便設計更多貼近用戶的功能。

路由器的操作系統(tǒng)，最早可追溯到上世紀八十年代，由美國WiindRiver公司推出的VxWorks，其幾乎支持市場上所有的嵌入式CPU，包括x86系列、Intel i960、SPARC、ARM、PowerPC以及xScale CPU。但是由于其封閉性，專用性，導致其推廣并不多，也不為開發(fā)人員所熟知。

后來由于linux及開源軟件的興起，一些專用于某些芯片的linux裁剪系統(tǒng)逐漸誕生。像Redhat推出的eCos、Lineo公司支持維護的uClinux等，均在一些路由器中被使用。但其裁剪較多，缺乏多任務，缺乏內存管理等限制條件，其很難被應用于智能路由器。但是，這些操作系統(tǒng)帶來了一種全新的概念，就是把linux引入到了路由器領域，很多芯片廠商也在linux裁剪、編譯、驅動、硬件加速上下了很大的力度。

操作系統(tǒng)是軟件與硬件設備的橋梁和平臺，路由器操作系統(tǒng)就是管理路由器硬件和路由器上的控制軟件、系統(tǒng)軟件以及應用軟件的平臺程序。WRT54G［3］是由思科公司推出的一款路由器經(jīng)典操作系統(tǒng)，其是基于Linux內核開發(fā)的并遵守GNU（General Public License），因此其源碼也是開發(fā)的?；诖?，越來越多的人為這款操作系統(tǒng)做出了極大的貢獻，于是OpenWrt單身了。由于其易于開發(fā)、功能強大、編譯方便，目前國內外不少廠家的智能路由器都是基于開源的OpenWrt作為其操作系統(tǒng)，其也慢慢進入了主流行列。本文將以OpenWrt系統(tǒng)架構作為一個經(jīng)典設計，來分析智能路由器軟件架構。

4 智能路由器操作系統(tǒng)的基礎系統(tǒng)架構

相比普通運行在PC的操作系統(tǒng)，路由器操作系統(tǒng)的軟件設計更為簡潔，也裁剪了不少與路由器無關的管理功能。其基本思路是在保留基本的進程管理、內存管理、IO管理、文件管理等內核的基礎之上開發(fā)一個包含了TCP/IP的協(xié)議棧，基于協(xié)議棧開發(fā)更多的應用功能模塊以及用于用戶交互的基礎用戶接口，構成一個完整的架構。

一般而言其系統(tǒng)層次由下至上由以下六個部分構成：

（1）內核層，其提供對CPU、存儲器的管理，提供上層的服務如存儲管理、IO管理、進程調度、定時器等基礎服務。

（2）設備驅動層，對下層硬件管理，并對進程服務提供通用的訪問接口。

（3）報文緩存層，其用來存放要被交換的報文。

（4）各種基礎服務進程層，其包括如telnet、FTP、SNMP、HTTP以及各種協(xié)議服務進程：TCP、IP、RIP、UDP、OSPF、ARP、BGP、ICMP、IGMP、加解密算法服務、NAT、報文過濾、端口過濾等，WAN口配置、ATM配置、VPN配置等設備配置服務。

（5）用戶接口層，其包括命令行接口、對象管理接口、WEB管理接口、自動配置服務器接口、以及各種可擴展的接口。

（6）應用進程層，用于開發(fā)各種智能模塊，其可以使用下層的基礎服務，開發(fā)各種貼近用戶的應用程序。

作為目前在智能路由器中的主流操作系統(tǒng)OpenWrt除具備上述基礎系統(tǒng)架構，其還有著更優(yōu)良的設計。OpenWrt其系統(tǒng)設計遵循軟件架構的層次設計，由下之上分別為，Linux平臺層、各種SDK及擴展功能庫、OPG管理、統(tǒng)一配置管理接口、系統(tǒng)服務進程和包括了WEB UI代理、SNMP代理、TR069代理、Shell等的代理訪問層。其中，代理層的豐富保證了各種訪問及控制的可能，以及為更為人性化的交互設計提供了基礎服務。

隨著OpenWrt的發(fā)展，其還提供了許多商用家庭網(wǎng)關固件相關的功能，如DHCP服務、WEB無線加密、認證及證書管理等。由于其提供的OPG管理功能，可以使用統(tǒng)一的軟件包來增加或刪除軟件包來實現(xiàn)功能的擴充與變更。這樣極大擴展了路由器的功能范圍，從而實現(xiàn)了智能的效果。

5 總結及展望

由于軟件控制是其智能的關鍵，本文重點在于論述其軟件系統(tǒng)架構。分析智能路由器的軟件架構特點，并通過對經(jīng)典的開源智能路由器操作系統(tǒng)OpenWrt進行分析，說明了智能路由器的基礎原理。智能路由器的出現(xiàn)，實際上是將控制層與轉發(fā)層分離，轉發(fā)由硬件完成，控制由軟件定義，這也是近些年很多這類系統(tǒng)的設計特點。相信未來的路由器必然會更加智能，其發(fā)展一定趨于定制化和開源化，更多的用戶會參與設計，更多的專業(yè)開發(fā)人員也會定制出更多樣化的產(chǎn)品。

［1］杭州華三通信技術有限公司.路由交換技術（第 1 卷）［M］.北京：清華大學出版社，2011：87-89.

［2］多伊爾，卡羅爾.路由器配置操作與應用原理［M］.葛建立，譯.人民郵電出版社，2006：66-69

［3］Bird Intern Articles on Routing Softeware Openwrt［M］. Hephaestus Books，2011：115-120.

季燁（1984—），女，江蘇人，解放軍73049部隊工程師，主要從事計算機軟件方面的研究。