基于開源路由技術(shù)的低功耗無線路由器研究

摘要：移動(dòng)終端通過基于IEEE 802．11協(xié)議的Wi-Fi無線通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相連。本文深入研究了IEEE802．11協(xié)議，利用開源路由技術(shù)對(duì)無線路由器刷入第三方開源固件Open-WRT，并對(duì)該固件進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議修改來降低Wi-Fi功耗，并且將降低功耗后的無線路由器應(yīng)用于具體的智慧旅游項(xiàng)目。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；Wi-Fi；無線路由器；開源路由技術(shù)

引言
Wi-Fi無線接入技術(shù)基于IEEE802．11協(xié)議，是目前無線通信中最常用的無線接入技術(shù)。然而，Wi-Fi無線接入技術(shù)有一個(gè)致命弱點(diǎn)——功耗高。因此，如何降低Wi-Fi無線接入技術(shù)的功耗成為了急需解決的問題。移動(dòng)終端通過無線路由器提供的Wi-Fi信號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)或者進(jìn)行定位服務(wù)，然而由于Wi-Fi的高功耗使得無線路由器必須一直連接電源才能保持正常工作，這就嚴(yán)重限制了人們的使用范圍。我們希望在沒有電源接入的地方(比如古老景區(qū)、歷史遺跡)也可以使用無線路由器，為移動(dòng)終端提供服務(wù)。

1 IEEE802．11協(xié)議
IEEE802．11協(xié)議是由美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)開發(fā)的一組無線傳輸協(xié)議。這些協(xié)議定義了無線站點(diǎn)(或接入點(diǎn))之間兩個(gè)或多個(gè)無線站點(diǎn)之間的通信的接口。該協(xié)議主要包含物理層和MAC層，主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，本文主要研究該協(xié)議的MAC層。
IEEE802．11協(xié)議定義幀包含以下幾個(gè)部分：
◆MAC頭部。包含幀控制、持續(xù)時(shí)間、地址和排隊(duì)控制信息。
◆有效長(zhǎng)度的幀體。包含幀信息、幀類型。
◆FCS。包含CRC校驗(yàn)的信息。
控制幀：主要用于協(xié)助數(shù)據(jù)幀的傳遞，所有控制幀都使用相同的Frame Control字段。
管理幀：負(fù)責(zé)在工作站和AP之間建立初始的通信，提供認(rèn)證和連接服務(wù)，包括連接請(qǐng)求／響應(yīng)、輪詢請(qǐng)求／響應(yīng)、Beacon幀等。
Beacon幀：主要聲明網(wǎng)絡(luò)的存在。定期傳送的信標(biāo)可以讓移動(dòng)式工作站得知該網(wǎng)絡(luò)的存在，從而調(diào)整加入該網(wǎng)絡(luò)所必需的參數(shù)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，接入點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送Beacon幀。

由圖1的IEEE802．11協(xié)議幀結(jié)構(gòu)可以看出，如果僅僅保留IEEE802．11協(xié)議廣播Beacon幀功能的話，則只需發(fā)送很少的數(shù)據(jù)，可以大大地降低功耗，而且我們還可以通過開源路由技術(shù)修改IEEE802．11協(xié)議來達(dá)到降低功耗的目的。

2 開源路由技術(shù)
圖2為TCP／IP與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出路由器是工作在OSI模型中的第3層，即網(wǎng)絡(luò)層。同時(shí)也是TCP／IP協(xié)議的第3層，即網(wǎng)際層。路由器利用網(wǎng)絡(luò)層定義的“邏輯”網(wǎng)絡(luò)地址(即IP地址)來區(qū)別不同的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的百聯(lián)和隔離，保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。路由器不轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)均被送到路由器，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)出去。

無線路由器是基于開源的Linux操作系統(tǒng)，然而商業(yè)路由器為了保護(hù)自己的技術(shù)是不會(huì)把固件源碼公開的，因此不能由第三方軟件開發(fā)者直接對(duì)其固件進(jìn)行開發(fā)。自從Linksys釋放WRT54G／GS的源碼后，開源軟件愛好者開發(fā)出很多不同版本的固件，以增強(qiáng)原有的功能或者增加原來沒有的功能。下面是主流的無線路由的Linux發(fā)行版：
①Open-WRT。國(guó)內(nèi)最早興起刷固件行動(dòng)的人基本上都是將自己的設(shè)備刷新成Open-WRT，由此可見Open-WRT具有極大的影響力。該固件通過SSH加密協(xié)議來配置，與Cisco設(shè)備在很多指令和操作上類似。
②DD-WRT。該固件是國(guó)內(nèi)外目前最為流行的固件之一，它是在Open-WRT固件的基礎(chǔ)上改進(jìn)后發(fā)布的，很多功能都是取自O(shè)pen-WRT。存應(yīng)用范同上DD-WRT支持極多的硬件平臺(tái)，并且新版本的發(fā)布也很及時(shí)。
③Hyper-WRT。該固件是以穩(wěn)定著稱的第三方同件，不過功能上要比前兩種稍遜一籌。從核心代碼上看，它是最接近Linksys官方固件的固件。對(duì)很多用戶來說，新功能、新應(yīng)用的出現(xiàn)是他們刷新同件的主要?jiǎng)恿Γ绻皇且髥我坏姆€(wěn)定，那么直接使用官方默認(rèn)固件即可。
④Tomato。這是一款逐漸流行的固件，個(gè)頭比較小，實(shí)際使用起來非常穩(wěn)定，而且基于SVG的圖形化流量圖非常有特色。它是由Hyper-WRT研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的一個(gè)組員開發(fā)的。
本文選用的第三方固件是Open-WRT，之所以選擇Open-WRT是因?yàn)樗峭耆_源的，方便編譯和配置，有對(duì)應(yīng)路由器所需要的固件，重新刷固件也很方便。