基于OpenWrt的多媒体路由器设计

引言
     随着物联网和互联网的融合，网络的覆盖范围越来越 广，人们对于网络连接的需求也越来越高，对路由器的功能 要求也越来越多。目前家用型路由器功能较单一，一般不具 有多WAN口协调功能，且性能较低，不适合在公共场合使 用。本项目以OpenWrt系统为基础，通过配置和添加应用程 序，使该路由器能够在公共场所提供网络连接以及本地音视 频服务。系统既可以使用以太网或者Wi-Fi进行网络连接， 也可以使用3G/4G移动网络进行连接。

1 OpenWrt系统介绍
OpenWrt是一种基于Linux内核的路由器操作系统，和 我们平常使用的Ubuntu等发行版系统类似。它专门针对路 由器，里面有很多在路由器上使用的软件，例如网络监视、 动态DNS、路由、VLAN等。OpenWrt不是一个单一、静态 的固件，而是提供了一个可添加软件包的可写的文件系统。 使用户可以自由选择应用程序和配置，而不必受设备提供商 的限制，并且可以使用一些适合某方面应用的软件包来定制 你的设备。目前网络上大概有3500个左右的OPKG包，用户 可以根据需要选择安装，极大地方便了使用。该系统的好处 是，用户可以通过配置文件进行网络管理，方便对路由器 进 行 配 置 和 管理 。 系 统 还 提 供 了 一 个 简 单 的 We b 界 面 ， 使 用 L u a 语 言 实 现 ， 能 够 方便地对界面进行重新定制，并且能够通过cgi接口与系统进行交互。本文基于OpenWrt系统设计一种支持异构网络的多媒体 路由系统，为了提高系统的性能及可扩展性，系统设计中摒 弃了路由器常用的ARM处理器，改用X86处理器作为硬件平 台，以提高路由器
的处理性能和扩展性。该系统能够在蜂窝 网络、Wi-Fi及以太网之间进行自动切换，并且能够提供音 视频多媒体服务。

2  系统硬件功能结构
本项目硬件部分采用Conga-TCA/N2800作为核心控制 板。该控制板符合COM Express Compact(95x95mm),Type6 标准，CPU是Intel® Atom™ N2800，并配备1 GBy te DDR31066MHz内存，板卡支持PCI Express、SATA、USB、I2C、 LPC等总线接口，具有体积小、扩展性强等特点。硬件总体 结构如图1所示。
2.1 以太网接口BCM5696介绍
以太网接口选用博通的BCM5696，配合BCM5464芯片 能够提供12个10/100/1000-Mbps有线以太网接口，并且能 够通过级联扩展以太网接口数量。芯片内部集成先进的QoS 服 务 ， 具 有 高 度 灵活 的 包 过 滤 、 速 率 限 制 、 标 记 、 监 控 等 功 能 。 同 时 芯 片 支 持 双 V L A N 标 记 (IEEE 802.1Q)以及 VLAN转换等高级功

图1  系统硬件结构图    

图2   BCM5696模块

图3  U8300/1使用流程  

图4  系统软件基本结构图

图5  网络地址分配  

图6  web工作框架

能，为上层应用提供了很大的便利性和灵活性。芯片的典型应用框图如图2所示。
2.2 蜂窝网络接口模块
为了能够通过3G/4G移动蜂窝网络连接互联网，硬件 系统扩展了基于Mini PCI-E 接口的U8300和U8301模块，分 别用于接入采用TDD-LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA、TDD- LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA网络制式的移动蜂窝网络。在 LTE-FDD网络环境下，该模块理论上能够提供100Mbps的上 行速率和50Mbps的下行速率。模块支持PPP-stack和TCP/IP- stack，并且提供USB和UART接口。U8300/1模
块的使用流程 如图3所示。

3 系统软件功能结构
路由器软件系统的设计主要包括OpenWrt系统配置编 译、设备驱动程序移植、网络环境配置、应用程序编写、多 媒体开发软件移植、LuCI界面开发等，下面对其中部分工 作进行简单介绍。
3.1  OpenWrt系统配置编译
OpenWrt的移植编译功能已经比较完善，能够较好地支 持x86平台。编译过程中能够自动下载源代码以及对应平台 的补丁代码。在使用x86默认的配置之外，需要根据系统环 境针对性地添加或者移除相应的模块。主要有a.选择eglibc作 为C语言库；b.添加usb-serial模块以支持U8300和U8301模块 接口；c.添加iwlagn模块，提供Wi-Fi支持；d.添加ppp和ppoe 拨号功能。
3.2  网络配置及地址管理
本系统支持以太网、Wi-Fi、4G网络接入互联网，需要 手动进行网络配置。其中主要包含U8300/1、I210、Wireless- N1030的网络配置。
设计中多个WAN口的网络地址分配如图5所示，需要 格外注意的是，当Wi-Fi工作在桥接模式时，要保证Wi-Fi的 WAN IP和LAN IP地址不在同一网段内。除去部分保留IP地 址，其余 IP从192.168.1.10到192.168.1.240可以自由分配给局域网的设备，IP地址配置可以在/etc/con句g/dhcp文件中进行更改，例如：
con句g dhcp 'lan' option interface 'lan'
option start '10'  //起始IP地址，即192.168.1.
option limit '230' //最多分配的IP地址数，即地址范围从
10到240系统设计的目的是优先保证系统的连通性。多WAN口 的平衡选择主要通过路由规则实现，本设计在mwan3的基 础上进行改进，使系统能够从多个WAN口中选择一个网络 状态较好的WAN口作为连接外网的接口。配置文件位于/ etc/config/mwan3，通过该文件配置网络端口的优先级及控 制规则。总体的控制思路是：1. 启动一个后台进程Internet_ monitor监控各个WAN口的状态；2.
进程Internet_switch根据 用户定制的切换规则更改系统所使用的WAN口。
3.3  安装流媒体服务器
为了能向局域网内的网络用户提供本地音视频服务， 系 统 移 植 了 u S h a re 作 为 本 地 多 媒 体 服 务 器 。 u S Ha re 是 由 Geexbox开发的一个开源项目，它基于UPnP(Universal Plug and Play) A/V & DL AN协议框架，实现了相应的多媒体服 务器功能，能够向支持UPnP的设备提供多媒体服务，并且 使用libupnp内置的http server向用户提供多媒体信息服务。 相比于其它多媒体服务器例如FUPPES、 MediaTomb以及 MiniDLAN等，uShare具有易于移植以及配置简单等特点。 目前uShare能够支持大多数多媒体格式文件，如表1所示。

图7  多媒体文件配置    

图8  网络状态管理
目前已经有基于OpenWrt的OPKG包，因此软件的安装 特别方便，针对平台进行配置之后即可使用。配置文件为/ etc/con句g/ushare，可以参照下面的形式进行配置，主要修改 媒体文件所在目录，即content_directories对应的选项，其他 参数保持默认值。
con句g 'ushare'
option 'servername' 'OpenWrt'option 'enabled' '1'
option 'content_directories'  '/
mnt/sda1/vedio, /mnt/sda1/audio' option 'disable_telnet' '1' option 'disable_webif '
'0'
3.4 LuCI界面开发
OpenWrt中利用uhttp作为web服务器，实现客户端web页面配置功能。对于request请求采用cgi处理方式，所用的cgi程序是
LuCI，工作框架如图6所示。Client端和server端采用cgi方式交互，在uhttpd服务器的 cgi方式中，fork出一个子进程，子
进程利用execl替换为LuCI 进程空间，通过设置环境变量的方式，传递一些固定格式的 数据（如PATH_INFO）给LuCI。另外一些非固定格式的数据（post-data）由父进程通过一个w_pipe写给LuCI的stdin， LuCI的返回数据写在stdout上，由父进程通过一个r_pipe读取。
项目针对系统需求使用Lua语言对界面进行重新编写， 方便对系统进行配置和管理以及查看网络状态，配置多媒体 信息等。系统Web页面效果如图7和图8所示。

4 结束语
我们分别对网络连接及媒体服务功能进行测试。将该 系统置于不同的网络环境中进行网络连接

测试，结果如表2 所示。

多媒体服务功能测试通过本地电脑安装ushare软件进行 测试，测试结果显示，在使用有线网络或者Wi-Fi连接状态 下播放720P高清视频比较流畅。本项目基于OpenWrt操作系统设计实现了能够在多WAN口之间自动切换，并且具有多媒体服务的高性能路由系统。 该系统具有丰富的总线接口，可以自由扩展总线设备，从 而适应不同的系统要求。我们通过PCI总线扩展Alta ARINC MPCIE-A429
模块，用于检测飞机飞行状态从而控制路由的 开关等动作。扩展后的路由器在测试环境中工作良好，具备 实用价值。通过添加其他总线模块，也可以将系统应用于火 车、汽车以及小型商场等领域。