一種低成本多用途的802.11 MAC測(cè)試平臺(tái)

張凌飛 王軍 楊永存 劉晨

摘? 要：無(wú)線局域網(wǎng)是一種主流的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，研究人員借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提出了許多優(yōu)化方案來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，如何對(duì)提出的優(yōu)化方案進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證是一個(gè)急需解決的難題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了低成本、多用途的MAC測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)以Marvell 88F6281和支持softMAC的無(wú)線網(wǎng)卡為關(guān)鍵硬件組件，由OpenWrt、MAC協(xié)議棧和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序組成軟件平臺(tái)，并通過(guò)移植mac80211和ath9k至該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了AP和STA功能。由于該平臺(tái)外圍接口豐富，可完成目前市面多種接口無(wú)線網(wǎng)卡的驗(yàn)證測(cè)試工作。

關(guān)鍵詞：WLAN測(cè)試平臺(tái);OpenWrt;MAC協(xié)議棧;ath9k;softMAC

中圖分類號(hào)：TP393? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Wireless Local Area Network （WLAN）is a kind of popular network access technology.In order to improve the quality of services （QoS），researchers have proposed many optimized schemes with computer simulation technology.How to test and verify the proposed scheme is an urgent issue to be solved.In this paper，a low-cost and multi-purpose MAC Testbed is designed and implemented.The pivotal hardware module of this testbed is composed of Marvell 88F6281 and the softMAC wireless network card.The software testbed is consisted of MAC stack，the wireless network card driver and OpenWrt，thus AP and STA functions are implemented by transplanting the mac80211 and ath9k to the testing platform.Due to the rich peripheral interfaces of this testbed，it can complete the corresponding verification and testing of various interface wireless network cards in the present market.

Keywords：WLAN testing platform;OpenWrt;MAC Stack;ath9k;softMAC

1? ?引言（Introduction）

智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等眾多設(shè)備通過(guò)WI-FI技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，給無(wú)線通信技術(shù)和無(wú)線通信協(xié)議性能提出更高的要求。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已針對(duì)問(wèn)題的關(guān)鍵提出各種改進(jìn)方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析得出優(yōu)化方向和結(jié)論[1]。因計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和工程應(yīng)用場(chǎng)景具有一定差距，仿真技術(shù)驗(yàn)證的優(yōu)化方案需經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證后才具有投入工程應(yīng)用的價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出多種測(cè)試平臺(tái)方案。WARP（Wireless Open Access Research Platform for Network）是一款基于FPGA的WLAN開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可完成WLAN底層協(xié)議（PHY層和MAC層）所有研究工作[2]，但構(gòu)建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用昂貴。搭載OpenWrt和mac80211協(xié)議棧的測(cè)試平臺(tái)，采用開(kāi)源協(xié)議棧mac80211，802.11bgn無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，但研究其他協(xié)議則需重新設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)[3，4]。CalRadio1搭載ARM和DSP處理器，成本相對(duì)較低，但采用的802.11b基帶相對(duì)于目前協(xié)議研究進(jìn)展較為落后[5]。USRP，F(xiàn)PGA板和主機(jī)組成的軟硬件平臺(tái)，基于802.11a/g協(xié)議軟/硬件代碼，MAC協(xié)議棧研發(fā)人員使用時(shí)需掌握各軟硬件和協(xié)議棧架構(gòu)[6，7]。

針對(duì)文獻(xiàn)中測(cè)試平臺(tái)的不足，設(shè)計(jì)了一種802.11 MAC測(cè)試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)：（1）多用途。通過(guò)PCIe或USB接口與網(wǎng)卡進(jìn)行連接，可根據(jù)主流協(xié)議更換相應(yīng)無(wú)線網(wǎng)卡而不必重新設(shè)計(jì)。（2）高兼容性。采用嵌入式Linux系統(tǒng)OpenWrt，以mac80211為MAC協(xié)議棧進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無(wú)縫對(duì)接。（3）低成本。采用ARM架構(gòu)88F6281處理器設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)底板，商業(yè)無(wú)線網(wǎng)卡處理硬件層數(shù)據(jù)，相對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)成本低廉，適合多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

2? ?總體方案設(shè)計(jì)（Overall program design）

以88F6281處理器為核心硬件作為本文提出的測(cè)試平臺(tái)硬件解決方案，軟件方案由操作系統(tǒng)、軟件協(xié)議棧和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。

圖1為測(cè)試平臺(tái)總體硬件框圖。硬件部分設(shè)計(jì)MINI PCIe插槽和USB接口等用于與無(wú)線網(wǎng)卡相連，內(nèi)存容量512MB，采用128MB NAND Flash用于存儲(chǔ)軟件，千兆以太網(wǎng)接口用于與有線以太網(wǎng)相連，UART接口用于調(diào)試，GPIO接口預(yù)留備用。88F6281是Marvell公司推出的兼容ARMv5TE架構(gòu)的高性能、高集成度處理器，搭載工作主頻最高可達(dá)1.2GHz的Sheeva 88SV131 CPU，D-cache和I-cache均為16kB，二級(jí)緩存達(dá)到256kB。該處理器集成了豐富的外設(shè)，如數(shù)據(jù)速率高達(dá)800MHz的雙通道DDR2 SDRAM控制器、PCI Express x1接口、兩路千兆以太網(wǎng)MAC、兩路SATA 2.0接口、USB2.0控制器、安全引擎、4通道XOR/DMA、NAND Flash控制器、SDIO、TS/Video、UART/SPI/TWSI/I2S和GPIO等接口[8]。支持SPI、UART、NAND、PCIe等接口啟動(dòng)。88F6281具備的強(qiáng)勁性能和豐富外設(shè)被廣泛用于路由、網(wǎng)關(guān)、媒體服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和打印服務(wù)器等領(lǐng)域。該處理器的PCIe接口、USB接口和千兆以太網(wǎng)MAC等高性能外設(shè)更加利于本測(cè)試平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)，且在多領(lǐng)域都有其成功應(yīng)用的方案可供參考。

（4）選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊。在內(nèi)核中將mac80211和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)以模塊的方式進(jìn)行編譯，生成驅(qū)動(dòng)模塊。

（5）退出make menuconfig并保存配置，通過(guò)make指令進(jìn)行編譯，生成U-boot、內(nèi)核鏡像和文件系統(tǒng)文件。

（6）測(cè)試平臺(tái)上電，通過(guò)串口啟動(dòng)，將U-boot寫(xiě)入NAND Flash。

（7）通過(guò)minicom連接串口，測(cè)試平臺(tái)上電，進(jìn)入U(xiǎn)-boot，通過(guò)指令完成內(nèi)核和文件系統(tǒng)的下載。

（8）測(cè)試平臺(tái)上電復(fù)位，在OpenWrt系統(tǒng)中創(chuàng)建文件共享服務(wù)，在PC中添加OpenWrt共享目錄，將編譯后的協(xié)議棧軟件拷貝至共享目錄。進(jìn)入OpenWrt系統(tǒng)中進(jìn)行協(xié)議棧軟件運(yùn)行測(cè)試。

5.2? ?測(cè)試條件及結(jié)果

通過(guò)本測(cè)試平臺(tái)搭建接入點(diǎn)MAC_testbed，采用多類型STA接入MAC_testbed進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)測(cè)試。接入點(diǎn)硬件系統(tǒng)配置為測(cè)試平臺(tái)和Atheros公司的AR9287無(wú)線網(wǎng)卡，軟件采用mac80211協(xié)議棧和ath9k驅(qū)動(dòng)程序，在用戶空間采用hostapd完成用戶接入管理。采用7種STA站點(diǎn)同時(shí)接入MAC_testbed，分別為測(cè)試平臺(tái)分別與AR9287和RT5572（USB接口）網(wǎng)卡搭建的STA站點(diǎn)、Intel AC3165（筆記本電腦）、iPhone手機(jī)、ZTE手機(jī)、Intel 5100AGN（筆記本電腦）和華為手機(jī)。各STA與AP連接速率如圖7所示。

從圖7中可以得出，在同一環(huán)境中不同無(wú)線網(wǎng)卡所連接的速率不同。導(dǎo)致連接速率不同的原因可能有兩方面。（1）協(xié)議算法不同。不同廠商設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡底層通信算法和MAC層接入速率選擇算法不同會(huì)導(dǎo)致以上結(jié)果。（2）設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景。MAC_testbed發(fā)送速率大致相同，但是MAC_testbed接收速率相差較大，其中手機(jī)設(shè)備的接收速率較低與其為便攜式設(shè)備低功耗需求有關(guān)。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文提出的MAC測(cè)試平臺(tái)，為廣大MAC層協(xié)議棧研究人員提供了一種低成本多功能的方案選擇。該測(cè)試平臺(tái)已完成OpenWrt和mac80211移植工作，采用測(cè)試平臺(tái)和AR9287無(wú)線網(wǎng)卡搭建AP，采用測(cè)試平臺(tái)、筆記本和手機(jī)為STA接入AP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明AP可同時(shí)完成多個(gè)STA站點(diǎn)連接管理，STA可以通過(guò)AP接入互聯(lián)網(wǎng)。采用PCIe和USB接口可更換不同版本無(wú)線網(wǎng)卡完成協(xié)議棧的研發(fā)和測(cè)試工作。目前該測(cè)試平臺(tái)通過(guò)移植mac80211實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的基本功能，接下來(lái)將會(huì)以mac80211為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的優(yōu)化工作。

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