基于ATM的ADSL网关的研究与实现

随着互联网上的内容越来越丰富多彩，人们对传输带宽的需求也逐渐增大，传统Modem的56K带宽日益显得不堪重负。如何充分有效利用现有的电话线资源来获得足够的带宽呢？ ADSL(不对称数字用户环路)是一个很好的答案。ADSL技术利用电话线上高于话音频带的带宽（4K～1.1MHz），采用离散多音频调制技术来调制高速数字信号（传统的Modem是用话音频带来调制数字信号）,下行速率可达8Mbit/s，上行可达1.5Mbit/s。随着超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术的不断进步,DSL技术也不断趋于成熟。ADSL完成A/D、D/A变换，采用FFT/IFFT作DMT和卷积编码调制，既实现了高带宽利用率，又保证了传输的低误码特性。我们所设计的ADSL网关采用Itex的Apollo 3 ADSL PCI解决方案作Internet的接入部分，另一侧用以太网或无线局域网接多用户，接口为RJ-45和无线访问点（AP）天线，提供了灵活方便的组网方式，可以广泛应用于家庭、小型办公室的接入。在软件上，我们采用根据硬件结构来定制Linux内核的方法，整合了必要的驱动模块来作网关的操作系统，不仅完成对ADSL接入模块、以太网模块以及无线局域网（WLAN）无线接入点AP模块的驱动，还提供DHCP、SNMP以及IP防火墙等应用功能。

一、 硬件体系结构

1．AMD微控制器总体构架

　　AMD公司推出的ElanSC520功能强大，适用于在嵌入式环境下用作协议处理器和网络处理器，兼容PC/AT，支持32位PCI外部总线，而且其传输的低延迟和低价位使其获得了广泛的应用。ElanSC520集成了一个工业级的X86处理器，从而为与X86结构适配的软件提供了良好的接口和易移植性，支持包括Linux和Windows在内的多种操作系统，内建的高速PCI总线接口符合PCI V2.2规范，可扩展1～5个PCI总线设备，通过其内部的PCI总线仲裁机制来决定与哪一个PCI设备进行相互通信。PCI总线的最高传输速率可达132MB/s。在ADSL网关设备的设计中，我们使用了三个PCI总线设备，这三个总线设备共享PCI总线与ElanSC520进行通信。ElanSC520微控制器还带有高性能的SDRAM和ROM/FLASH接口，同时还有用于配置和调试的UART串行接口,可以接模拟终端。基于ATM的ADSL网关的硬件体系结构如图1所示：

图1：ADSL硬件体系结构

2. ADSL接入设备

　　ADSL接入端采用Itex的Apollo 3的PCI解决方案，其芯片组包括线路驱动、模拟前端和数字收发器，完成对电话线路上信号的发送和接收滤波、放大、A/D和D/A转换、FFT/IFFT等数字信号处理，并通过PCI总线与ElanSC520进行通信。该组芯片将PCI到UTOPIA（标准信元接口）的转换功能集成到DMT收发器和ATM的成帧器中，将线路接收器集成到模拟前端中。由于控制由主处理器完成，Apollo3不需要额外的存储设备和控制器，使板上的控制需求减少到最小，从而大大降低了功耗。该芯片组符合以下协议标准：G.992.1(G.DMT), G.992.2(G.LITE), G.994(G.HS), T1.413 Issue 2(1998)

其结构如图2所示：

图2：ADSL线路接入端结构

信号由RJ－11电话线接口进来，收端通过接收滤波器送到接收部分进行滤波、信号放大，经A/D变换，FFT解调，送往处理器进行处理；而在发端,由处理器出来的数字信号经过IFFT进行DMT调制，再经过线路驱动模块，滤波后发送到电话线路上进行传输。

3.以太网接口

　　以太网采用的是Realtek 的RLT8029AS芯片，与NE2000兼容，符合标准的802.3CSMA/CD协议规范。其全双工特性允许同时发送和接收，集成了曼彻斯特编解码器，可以用于无盘工作站。

4.WLAN_AP接口

　　为了方便笔记本电脑共享电话线上网，我们在用户端还提供了WLAN_AP接口，可以方便的进行无线局域网的组网，在这里我们使用了TI公司的PCI1410A桥芯片将PCI信号转为PCMCIA信号，接无线网卡，将数据包封装为符合IEEE802.11b协议的帧进行传输。

二、 软件体系结构

　　由于Linux操作系统的稳定性、开放性以及可扩展性，使它在嵌入式系统中获得较为广泛的应用，然而由于Linux允许非抢先式操作,使其不可能成为完全的实时系统，最多只能算是在统计意义上的实时。在ADSL网关的设计中我们可以将实时的信号赋予很高的优先级，从而保证在整体上公平地进行进程调度。

　　构建嵌入式操作系统，我们首先考虑到在一个嵌入式的应用环境下既没有多少内存也没有多少外存可用，操作系统必须存放在有限的存储器Flash中，所以我们必须根据硬件的构架来定制我们需要的Linux内核。由于ADSL接入端是基于ATM的，我们要为内核加上对PPP over ATM的patch（补丁），对于在ATM基础上支持Internet，实际上可以归结为在ATM上如何支持TCP/IP的问题，即ATM如何承载IP包的问题。在ADSL网关应用中，要共享ADSL线路接入Internet，遵循的是点到点协议，因此ADSL接入端的驱动程序实际上是一个PPP over ATM的模块，它将作为内核的一个可载入模块进行进程调用，而以太网驱动程序和WLAN_AP的驱动程序是实现在以太网和无线介质里传送IP包的，即分别用802.3和802.11的帧格式来封装IP包，这样ADSL网关的协议栈就如图3所示。