工業級 5G 無線路由器的軟件研究與設計

申利民，蔣應龍

（1.廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州，510430；2.中認英泰檢測技術有限公司，江蘇蘇州，215000）

0 引言

近年來，新一輪科技革命和產業變革快速發展，互聯網由消費領域向生產領域快速延伸，工業經濟向數字化、網絡化、智能化深度拓展，互聯網創新發展與新工業革命形成交融發展，形成了工業互聯網[1]。通過跨設備、系統、廠區等生產要素互聯互通，實現各種生產和服務資源更高效率、更加精準地優化配置，實現提質、增效、綠色、安全發展，推動制造業高端化、智能化、綠色化，大幅提升工業經濟發展質量和效益。工業互聯網的發展，需要工業級無線路由器，特別是在當前我國5G 網絡在工業生產的逐漸普及，實現工業生產過程數字信號通過5G 工業路由器的信號傳遞，實現工業級5G 無線路由器軟件安全穩定的應用成為行業緊迫需求。

1 5G 工業路由器的體系結構

5G 工業路由器的體系結構如圖1 所示，嵌入式操作系統OpenWRT 運行在以處理器上IPQ8064，在其外設驅動的支持下提供給上層應用程序API 接口，以便應用程序開發調用。微處理器處理通信協議和應 用程序方面的操作。用嵌入式操作系統OpenWRT 進行系統任務的任務調度。5G 模塊選用工業模組MH5000-31，此組核心采用華為巴龍5000 芯片，負責5G 數據處理。該體系結構采用模塊化層次結構進行設計具有層次性好、易擴展、配置靈活、性能優 越的特點[2]。

圖1 工業路由器體系結構圖

2 5G 工業路由器的硬件組成

5G 工業路由器作為工業互聯網數據接入設備，實現工業數據接入5G 通信網絡發揮著重要作用。其中微處理芯片IPQ8064 包括一個總吞吐量為的網絡加速器5Gbps，IPQ8064 通常在雙核SMP Krait 上運行OpenWRT Linux IP 堆棧，而NSS 加速了網絡流量（快速路徑）。NSS 在Linux 的完全控制下運行堆棧NSS 中的規則由Linux 堆棧設置[3]。

工業級5G 無線路由器由圖2 各部分組成，電源模塊、電源控制電路、以太網芯片、中央處理器(central processing unit, CPU)、5G 模塊及5G 天線、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）天線、WiFi 模塊及天線、存儲芯片、USB 口、串口。其中以太網芯片組用來實現工業級5G 路由器與互聯網數據互連，5G 模塊實現工業級5G 路由器與移動、聯通等電信運營商所運營的5G移動通信互連，并具備GPS 衛星導航定位的功能，存儲芯片主要用來存儲路由器程序及數據，電源模塊主要用來給路由器供電，電源控制電路主要用來控制電源模塊工作模式，CPU 微處理控制器主要用來集中控制管理。USB 接口、串口用來與外部數據交互。

圖2 工業路由器硬件框圖

3 5G 工業路由器軟件結構平臺

由于OpenWRT 系統對微處理器架構具有良好的適配性，5G 工業路由器使用OpenWRT 作為嵌入式操作系統，OpenWRT 高度模塊化的特性非常適合進行定制化軟件開發，能夠滿足系統的穩定性和功能需求[4]。5G 工業路由器軟件平臺架構如圖3 所示，根據功能特性，5G 工業路由器軟件平臺分為數據接入層、數據分析層、接入控制層和應用服務層。其中數據接入層負責5G 數據、WiFi 數據等采集，數據分析層完成各種不同類型數據的分析處理，接入控制層完成對5G 工業路由接入設備的管理、命令的發放，應用服務層完成數據分析層數據的處理后的動態路由及本身設備日志及參數配置管，理路由器下連多種感知端設備，軟件平臺通過分析接口類型和協議種類，負責將數據在本地進行處理或者上傳至物聯管理平臺。

圖3 5G 工業路由器軟件平臺架構

4 工業路由器應用程序框圖及啟動流程

■4.1 工業路由器應用程序框圖

系統應用程序框圖如圖4 所示，整個系統應用程序采用多任務并行方式執行。硬件檢測采定時用輪詢的方式實時檢測相關硬件狀態，如果檢測到新事件產生，則通過消息方式告知應用程序消息處理任務，由其調用相應的任務處理函數，由OpenWrt 系統給每個任務分配不同的優先級，便于根據應用程序所處理任務的重要性的不同分配不同的優先級。WEB 網管管理任務主要在于啟動WEBSERVER，對來自客戶端瀏覽器IE 對工業路由器設備參數配置等請求的處理，CLI 串口管理任務主要通過串口RS232 查看、配置工業路由器的設備的參數設置，SNMP 網際管理任務通過SNMP 協議發送報文，使網絡綜合管理平臺能夠根據這個報文，管理工業路由器。WiFi/以太網數據處理任務，主要用來分析處理來自有線、無線以太網的數據，包括完成有線無線以太網內LAN 端口數據接收分析、路由轉發等，5G 數據處理任務完成來自5G 網絡的數據處分析處理，并將要處理控制命令發應用程序消息處理任務，由其調用回調函數完成數據中由轉發。日志輸出數據處理任務主要用來保存工業路由器在運行、調試時的關鍵信息，方便對設備的維護。應用程序消息處理任務用來完成各任務模塊的消息的處理，主要實現通過消息的回調函數來實現，完成數據路由轉發、配置參數生效等。

圖4 系統應用程序框圖

■4.2 工業路由器啟動流程圖

工業路由器的啟動流程如圖5 所示，工業路由器上電后，首先初始化硬件看門狗，使工業路由器在異常情況下能保障電路重啟，接下來初始化配置模塊，完成工業路由器工作時的參數配置，接下來啟動日志模塊，使設備在運行時能將觸發的關鍵信息輸出到日志文件，便于設備開發時調試，運行時維護、后期版本升級用，接下來啟動CLI/WEB 網管模塊，可通過串口及IE 瀏覽器對設備進行參數配置，然后再開啟應用程序消息處理中心任務，完成應用層各任務間的消息處理，并完成對應的任務間消息處理函數，再初始化網口芯片，啟動系統的網絡服務功能，使工業路由器能通過以太網與互聯網連接，然后啟動5G 模塊，使工業路由器能完成5G 網絡數據通信，再啟動WiFi 無線接入模塊，使工業路由器能通過數據能通過無線接入以太網，接下來啟動路由模塊，完成接入工業路由器的數據路由，最后完成SNMP 模塊啟動，實現接入SNMP 協議的網際設備管理，再等待數據接入路由服務。

圖5 工業路由器的啟動流程圖

圖6 測試環境圖

5 路由器應用軟件設計及接口

■5.1 CLI 網管模塊設計及接口設計

CLI 網管設置不同的用戶權限。用戶模式，只能查看簡單的信息，不能執行配置保存操作。特權模式，用戶模式下輸入enble 進入，需密碼驗證。配置部分設備運行參數顯示部分設備運行信息。全局配置模式，在特權模式下輸入configure terminal 命令進入。配置全局設備運行參數，顯示全局設備運行信息；接口配置模式，在全局模式下輸入interface 命令進入。配置各種類型接口運行參數，顯示各種類型接口運行信息；VLAN 配置模式，在全局模式下輸入vlan 命令進入。配置vlan 接口運行參數，顯示vlan 接口運行信息。主要接口函數如下：

void *rg_vtysh_pthread_entry(void *arg)

CLI 線程入口函數。

Void cmd_init (int terminal)

初始化命令接口，安裝基本節點及命令。

■5.2 配置模塊設計及接口設計

配置模塊采用INI 文本配置方式。INI 文本配置文件直接保存到Flash 芯片，并且在文件的頭部增加一個文件標識頭部，記錄文件的長度及后續配置數據的校驗和，保障配置文件的完整性及正確性。該標識頭不體現在實際導出導入的配置文件中，在實際讀寫配置文件時由程序自動處理。配置文件校驗方式采用CRC 校驗方式。為保證INI 文本配置文件的簡潔性，同時加快配置文件生成及解析速度，對于默認值的參數，不寫入配置文件，只有用戶修改過的參數，方寫入配置文件。設備啟動時，先讀取配置文件，對于配置文件中沒有的配置數據，均取程序默認值。主要接口函數如下：

int rg_global_config_load_default(void)

恢復出廠默認值。

int rg_get_config_from_flash(void)

從Flash 中讀取配置文件并進行解析。

■5.3 日志模塊設計及接口設計

日志模塊設計根據不同需按等級設計，其中設計七個等級供設備運行及調試用，如#define LOG_EMERG 0/*系統不可用*/、#define LOG_ALERT 1/*必須立即執行操作*/、# 定 義LOG_CRIT 2/* 臨 界 條 件*/、# 定 義LOG_ERR 3/* 錯 誤 條 件*/、# 定 義LOG_WARNING 4/* 警 告 條 件*/等，日志模塊輸出目標（1）Syslog，包括本地（/var/log/messages.txt，重啟后原內容不保留）及遠端syslog 服務器。（2）串口。（3）Telnet 窗口。（4）以文件形式輸出的FLASH 的JFFS 分區。主要接口函數如下：

int rg_log_config_get(RG_LOG_CMD cmd, void*value)

獲取日志模塊配置。

int rg_log_config_set(RG_LOG_CMD cmd, void*value)

設置日志模塊配置。

■5.4 WEB 模塊設計

WEB 網管提供瀏覽器訪問、配置、維護設備功能。WEB 網管支持中文或者英文界面，用戶在登錄時選擇中文或者英文界面進行登錄。整體風格：各功能模塊以垂直樹形結構進行展開。如網絡配置包括：接口管理：配置各網絡接口及4G 接口的相關參數、VLAN 管理：VLAN 創建，設置接口模式（接口模式：Access、Trunk 及Hybrid，可配置許可VID 范圍、WiFi 配置：DHCP 服務器配置：配置DHCP 服務器，可查看客戶端列表、SNMP 配置：支持SNMPV1/V2/V3、VRRP 配 置： 支 持VRRP v2/v3， 各 子 功能模塊再以TAB 頁的形式進行配置，主要接口函數如下：

int rg_web_config_get(ENUM_WEB_CONFIG cmd,void *value)

int rg_web_config_set(ENUM_WEB_CONFIG cmd,void *value)

獲取、設置web 模塊相關參數。

int initWebs(int demo)；初始化WEB 服務器。

■5.5 5G 模塊接入步驟及數據結構

5G 模塊接入步驟如：（1）生成lc_ether.ko 后，放入/lib/modules/內核版本/kernel/drivers/usb/net 下（需要建立文件夾net）；（2）將ndis_app 下的profile.ini 設置APN 后，放入/usr/sbin/下；（3）編譯生成libndis_dail.so；（4）編譯生生ndis_connect 和ndis_disconnect；（5）加入ndis 驅動，執行命令modprobe lc_ether；（6）執行命令./ndis_connect；（7）執行命令udhcpc；（8）執行命令./ndis_disconnect 斷開連接。主要接口函數如下：

int rg_mobile_if_get(RG_MOBILE_IF_CMD cmd,void *value, int index)

int rg_mobile_if_set(RG_MOBILE_IF_CMD cmd,void *value, int index)/

獲取、設置5G 模塊相關參數。

int rg_longsung_driver_install(void)/加載5G 模塊驅動。/

void *rg_start_longsung_5g_thread(void *arg)/啟動5G 撥號流程。/

5G 模塊接口數據結構如下：

typedef struct

{

BOOL enable;

int tel_operator_type; /*網絡供應商類型, 0-自動, 1-自定義(需配置apn/username/password 字段)*/

char apn[RG_MAX_LEN32];

char username[RG_MAX_LEN128];

char password[RG_MAX_LEN128];

……

} rg_mobile_net_config;

6 工業路由器安全設置

根據對路由器的安全威脅的種類不同采取不同的策略，對于攻擊防御：采取防ARP 流量攻擊、防DOS 攻擊、防本地流量攻擊（防本地管理流量和協議流量攻擊）、端口過濾（開啟過濾非法傳輸層報文）。對于防主機欺騙：采取靜態IP-MAC 綁定、動態IP-MAC 綁定。支持包過濾：先選接口，再分別啟用入方向及出方向ACE 規則。支持IP 地址、協議、端口、時間過濾。優化NAT 配置：NAT 接口配置（配置外網、內網接口）、網絡地址轉換、虛擬服務器（是將 “內網IP” 或“內網IP+端口” 映射成另一個“外網IP” 或“外網IP+端口” 的功能。在實際應用中，一般用于出差辦公的場景）。

軟件在設計時，嚴格按照模塊化設計，并從架構上盡量降低模塊間的耦合性，從而保障軟件的可擴展性。為保證系統的穩定性，對系統出錯處理做出如下兩方面的處理：首先，引入看門狗機制，軟件定期清狗。當系統發生嚴重錯誤時，由看門狗重新上電整個設備。其次，系統專門建立監控任務，監控系統任務運行的健康狀況，并對可能出現的問題采取及時的措施，保障系統的穩定性。

7 測試與結束語

為了驗證本待測5G 工業路由器的基本功能，搭建了以下的測試環境圖，工業路由器放在工廠環境中。本測試環境搭建在局域網， 筆記本及工廠設備接在5G 工業路由器上，且配在同一網段，且筆記本電腦上安裝有WireShark 協議分析工具，通過手機訪問待測工業路由器的WEB 網管，以及通過待測工業路由器訪問工廠設備，通過WireShark 協議分析，發現來手機的訪問能通過互聯網側訪問5G 工業路由器的WEB 網管，工廠設備也能通過5G 工業路由器的聯入5G 網絡，實現與互聯網側的數據交換。工業路由器在工廠環境中工作穩定。

本文提出的基于嵌入式的語音網關硬件利用高性能嵌入式微處理器IPQ8064 和華為5G 模塊為核心構成，軟件采用開源嵌入式操作系統及開源戶協議棧為主，通過了與以太網與5G 網絡的對通測試。