一种低成本多用途的802.11 MAC测试平台

张凌飞 王军 杨永存 刘晨

摘  要：无线局域网是一种主流的网络接入技术，研究人员借助计算机仿真技术提出了许多优化方案来提高网络服务质量，如何对提出的优化方案进行测试和验证是一个急需解决的难题。本文設计并实现了低成本、多用途的MAC测试平台，该平台以Marvell 88F6281和支持softMAC的无线网卡为关键硬件组件，由OpenWrt、MAC协议栈和网卡驱动程序组成软件平台，并通过移植mac80211和ath9k至该平台实现了AP和STA功能。由于该平台外围接口丰富，可完成目前市面多种接口无线网卡的验证测试工作。

关键词：WLAN测试平台;OpenWrt;MAC协议栈;ath9k;softMAC

中图分类号：TP393     文献标识码：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、物联网等众多设备通过WI-FI技术接入网络，给无线通信技术和无线通信协议性能提出更高的要求。国内外研究学者已针对问题的关键提出各种改进方案，通过计算机仿真技术分析得出优化方向和结论[1]。因计算机仿真环境和工程应用场景具有一定差距，仿真技术验证的优化方案需经过实际应用环境测试验证后才具有投入工程应用的价值。

国内外各研究机构已经提出多种测试平台方案。WARP（Wireless Open Access Research Platform for Network）是一款基于FPGA的WLAN开发平台，可完成WLAN底层协议（PHY层和MAC层）所有研究工作[2]，但构建测试网络费用昂贵。搭载OpenWrt和mac80211协议栈的测试平台，采用开源协议栈mac80211，802.11bgn无线网卡进行定制设计，但研究其他协议则需重新设计测试平台[3，4]。CalRadio1搭载ARM和DSP处理器，成本相对较低，但采用的802.11b基带相对于目前协议研究进展较为落后[5]。USRP，FPGA板和主机组成的软硬件平台，基于802.11a/g协议软/硬件代码，MAC协议栈研发人员使用时需掌握各软硬件和协议栈架构[6，7]。

针对文献中测试平台的不足，设计了一种802.11 MAC测试平台，可以实现：（1）多用途。通过PCIe或USB接口与网卡进行连接，可根据主流协议更换相应无线网卡而不必重新设计。（2）高兼容性。采用嵌入式Linux系统OpenWrt，以mac80211为MAC协议栈进行改进优化，与网络协议无缝对接。（3）低成本。采用ARM架构88F6281处理器设计硬件平台底板，商业无线网卡处理硬件层数据，相对FPGA开发平台成本低廉，适合多节点组网。

2   总体方案设计（Overall program design）

以88F6281处理器为核心硬件作为本文提出的测试平台硬件解决方案，软件方案由操作系统、软件协议栈和网卡驱动程序构成。

图1为测试平台总体硬件框图。硬件部分设计MINI PCIe插槽和USB接口等用于与无线网卡相连，内存容量512MB，采用128MB NAND Flash用于存储软件，千兆以太网接口用于与有线以太网相连，UART接口用于调试，GPIO接口预留备用。88F6281是Marvell公司推出的兼容ARMv5TE架构的高性能、高集成度处理器，搭载工作主频最高可达1.2GHz的Sheeva 88SV131 CPU，D-cache和I-cache均为16kB，二级缓存达到256kB。该处理器集成了丰富的外设，如数据速率高达800MHz的双通道DDR2 SDRAM控制器、PCI Express x1接口、两路千兆以太网MAC、两路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等接口启动。88F6281具备的强劲性能和丰富外设被广泛用于路由、网关、媒体服务器、存储、网络和打印服务器等领域。该处理器的PCIe接口、USB接口和千兆以太网MAC等高性能外设更加利于本测试平台的功能实现，且在多领域都有其成功应用的方案可供参考。

（4）选择无线网络驱动模块。在内核中将mac80211和网卡驱动以模块的方式进行编译，生成驱动模块。

（5）退出make menuconfig并保存配置，通过make指令进行编译，生成U-boot、内核镜像和文件系统文件。

（6）测试平台上电，通过串口启动，将U-boot写入NAND Flash。

（7）通过minicom连接串口，测试平台上电，进入U-boot，通过指令完成内核和文件系统的下载。

（8）测试平台上电复位，在OpenWrt系统中创建文件共享服务，在PC中添加OpenWrt共享目录，将编译后的协议栈软件拷贝至共享目录。进入OpenWrt系统中进行协议栈软件运行测试。

5.2   测试条件及结果

通过本测试平台搭建接入点MAC_testbed，采用多类型STA接入MAC_testbed进行数据传输实测试。接入点硬件系统配置为测试平台和Atheros公司的AR9287无线网卡，软件采用mac80211协议栈和ath9k驱动程序，在用户空间采用hostapd完成用户接入管理。采用7种STA站点同时接入MAC_testbed，分别为测试平台分别与AR9287和RT5572（USB接口）网卡搭建的STA站点、Intel AC3165（笔记本电脑）、iPhone手机、ZTE手机、Intel 5100AGN（笔记本电脑）和华为手机。各STA与AP连接速率如图7所示。

从图7中可以得出，在同一环境中不同无线网卡所连接的速率不同。导致连接速率不同的原因可能有两方面。（1）协议算法不同。不同厂商设计的网卡底层通信算法和MAC层接入速率选择算法不同会导致以上结果。（2）设备应用场景。MAC_testbed发送速率大致相同，但是MAC_testbed接收速率相差较大，其中手机设备的接收速率较低与其为便携式设备低功耗需求有关。

6   结论（Conclusion）

本文提出的MAC测试平台，为广大MAC层协议栈研究人员提供了一种低成本多功能的方案选择。该测试平台已完成OpenWrt和mac80211移植工作，采用测试平台和AR9287无线网卡搭建AP，采用测试平台、笔记本和手机为STA接入AP进行数据传输测试，测试结果表明AP可同时完成多个STA站点连接管理，STA可以通过AP接入互联网。采用PCIe和USB接口可更换不同版本无线网卡完成协议栈的研发和测试工作。目前该测试平台通过移植mac80211实现相应的基本功能，接下来将会以mac80211为基础實现协议栈的优化工作。

参考文献（References）

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