3. PC-роутеры

PC-роутер--это IBM PC, ниже среднего класса (по сегоднЯшним меркам), без монитора, клавиатуры и гибкого диска, с операционной системой Ћ‘ Linux и свободным программным обеспечением длЯ Ћ‘ Linux. ‚о времЯ подготовки к установке в городскую телекоммуникационную систему PC-роутер снабжаетсЯ сетевой периферией (комплектность зависит от применениЯ), а его программное обеспечение конфигурируетсЯ так, чтобы:

обеспечить свойство устойчивости к выполнению в произвольный момент времени операции ре-инициализации PC-роутера (перезагрузка или включение/выключение питаниЯ);
обеспечить выполнение необходимого (зависит от места применениЯ конкретного PC-роутера) произвольного набора из следующих функций:

IP-маршрутизациЯ/фильтрациЯ IP-пакетов,
IPX-маршрутизациЯ/фильтрациЯ IPX-пакетов,
Ethernet-бриджинг,
сервер безопасности (firewall),
кэширующий nameserver,
спулер печати,
терминальный сервер, обслуживание модемного пула,
статистический учет IP/IPX-трафика, статистический учет использованиЯ модемного пула.

’аким образом, PC-роутер-специализированнаЯ Џќ‚Њ, котораЯ в различных конфигурациЯх реализует разнообразные функциональные устройства в городской телекоммуникационной сети. Џри этом стоимость любого такого устройства весьма скромнаЯ: $400-$1,000.

Џодчеркнем высокую модульность данного подхода к реализации системы: большаЯ часть городской системы телекоммуникаций построена из:

стандартного базового комплекта аппаратуры PC-роутера (раздел 3.1.1), и
небольшой номенклатуры интерфейсной аппаратуры PC-роутера (раздел 3.1.2).

3.1 Ђппаратура PC-роутера

3.1.1 Ѓазовый комплект аппаратуры

Ѓазовым комплектом аппаратуры ђ‘-роутера:

корпус системного блока Џќ‚Њ класса IBM PC с блоком питаниЯ;
материнскаЯ плата с процессором не хуже i386;
RAM не менее 8 MB;
HDD не менее 40 MB.

Џри закупке только новых комплектующих, доступных на компьютерном рынке, получаем следующую оценку стоимости базового комплекта аппаратуры PC-роутера:

’аблица 1. Ѓазовый комплект аппаратуры PC-роутера

корпус minitower с блоком питаниЯ	$30
материнскаЯ плата SIS 496 PCI	$60
процессор AMD 486DX4-100	$35
SIMM 72 pin 8 MB	$35
HDD 850 MB	$160
€’ЋѓЋ	$320

3.1.2 €нтерфейснаЯ аппаратура PC-роутера

€нтерфейсное оборудование PC-роутера предназначено длЯ подключениЯ обслуживаемых им каналов и устройств. €х состав и количество определЯетсЯ конкретным применением PC-роутера.

‚ качестве интерфейсной аппаратуры рекомендуем использовать следующие изделиЯ⁽⁴⁾:

’аблица 2. €нтерфейснаЯ аппаратура PC-роутера

Ќазначение	€зделие	–ена
€нтерфейс локальной сети	сетеваЯ карта Ethernet 10Mbps NE2000 ISA	$20
	сетеваЯ карта Ethernet 10Mbps NE2000 PCI	$20
	сетеваЯ карта Ethernet 10Mbps NE2100 PCI	$20
	сетеваЯ карта Ethernet 10Mbps 3C509 ISA	$70
	сетеваЯ карта Ethernet 100Mbps DEC21140 PCI	$76
	сетеваЯ карта Ethernet 100Mbps 3C595 PCI	$100
Џодключение модемов (асинхронные порты)	интерфейснаЯ плата Titan 9006, 4 x RS-232C, FIFO, ISA	$85
Џодключение модемов (асинхронные порты)	интерфейснаЯ плата SCS-16, 16 x RS-232C, FIFO, ISA (собственнаЯ разработка лаборатории Ѓотик)	$250
Џодключение синхронных модемов	интерфейснаЯ плата SDL Riscom N2, 2xV.35, до 4 Mbps, ISA	$1,000
Љаналы Radio-Ethernet	сетеваЯ карта RadioEthernet WaveLAN 2.4GHz, 2Mbps, ISA	$900

Џараллельные и асинхронные последовательные порты, как правило, присутствующие в базовом комплекте аппаратуры PC-роутера, также могут использоватьсЯ длЯ подключениЯ каналов и устройств.

‚ыше перечислена всего лишь та часть из возможного интерфейсного оснащениЯ PC-роутера, котораЯ представлЯетсЯ нам наиболее осмысленной на сегоднЯшнем этапе развитиЯ городских телекоммуникационных подсистем.

‡аметим, что PC-роутер обладает необычайными гибкостью и возможностЯми наращиваниЯ производительности своей интерфейсной части и поддержки всевозможных интерфейсов и протоколов. ’ак, уже сегоднЯ интерфейснаЯ часть PC-роутера может поддерживать 100Base-T, FDDI, ATM и пр.⁽⁵⁾ Ћднако широкое использование этих телекоммуникационных технологий в городских телекоммуникационных системах представлЯетсЯ сейчас в большинстве случаев преждевременным.

3.1.3 ‘пециальные возможности и аппаратура watchdog

PC-роутер (при любом аппаратном и программном наполнении) выполнен так, что операциЯ ре-инициализации (сброс или отключение-включение питаниЯ):

ЯвлЯетсЯ единственной доступной операцией длЯ локального обслуживающего персонала;
допустима в любой момент времени, не приводит к нарушению функциональных возможностей PC-роутера;
влечет обЯзательное восстановление работоспособности PC-роутера после сбоЯ.

’аким образом:

не требуетсЯ снабжать PC-роутеры средствами бесперебойного электропитаниЯ;
не требуетсЯ никаких специльных знаний у местного персонала--выполнениЯ операции "отключение-включение питаниЯ" можно доверить практически любому.

Ѓолее того, длЯ более быстрого восстановлениЯ работоспособности "подвисшего" PC-роутера без вмешательства местного персонала, настоЯтельно рекомендуетсЯ во всех PC-роутерах устанавливать специальную аппаратуру (так называемый watchdog) слежениЯ за работоспособностью PC-роутера и автоматического восстановлениЯ (ре-инициализации) "подвисшего" PC-роутера.

‘набженный watchdog-аппаратурой PC-роутер ЯвлЯетсЯ предельно надежным необслуживаемым сетевым устройством и не предполагает наличиЯ персонала в точке его расположениЯ.

3.1.3.1 Ќазначение программно-аппаратного комплекса Watchdog

Џрограммно-аппаратный комплекс watchdog предназначен длЯ:

слежениЯ за работоспособностью PC-роутера, обнаружениЯ сбоев (вне зависимости от их природы--программный сбой или аппаратное "подвисание") и
выработки сигнала Reset--"холодного" перезапуска компьютера в случае сбоЯ.

3.1.3.2 Џринципы реализации и программнаЯ часть комплекса watchdog

‘лежение за работоспособностью системы и выработка сигнала о нормальной работе системы (далее--Ћ'Љ) реализовано программно: в PC-роутере запускаетсЯ watchdog-драйвер--Unix-процесс, постоЯнно следЯщий за исправностью системы. Љонкретный набор выполнЯемых проверок зависит от конфигурации и периферии PC-роутера.

Џока условие "все работает нормально" выполнЯетсЯ, данный процесс (watchdog-драйвер) с некоторым периодом t выдает аппаратный сигнал Ћ'Љ на интерфейс watchdog-аппаратуры.

ЂппаратнаЯ часть watchdog вырабатывает сигнал Reset в случае, если в течение периода ’ > t не поступил сигнал Ћ'Љ подтверждениЯ нормальной работы системы. ’аким образом, вне зависимости от причин сбоЯ (аппаратное "зависание", программные ошибки), потерЯннаЯ работоспособность PC-роутера будет гарантированно восстановлена без вмешательства персонала.

„лЯ передачи от watchdog-драйвера к watchdog-аппаратуре сигнала Ћ'Љ использован стандартный разъем длЯ подключениЯ внутреннего динамика IBM PC--разъем speaker, присутствующий на материнских платах всех типов. ’акое решение обусловлено желанием исключить доработку материнских плат и не занимать стандартные разъемы шины, которые ЯвлЯютсЯ критичным ресурсом PC-роутера, так как их можно использовать длЯ подключениЯ сетевой периферии. €спользование разъема speaker как интерфейса между драйвером и аппаратурой watchdog:

заметно упростило схемотехнику watchdog-аппаратуры, ее подключение и обеспечение электропитаниЯ;
упростило программу драйвера: сигнал Ћ'Љ легко реализуетсЯ в программе драйвера--это щелчок динамиком IBM PC.

3.1.3.3 ЂппаратнаЯ часть комплекса Watchdog

ђисунок 1. ”ункциональнаЯ схема аппаратуры Watchdog

”ункционально Watchdog представлЯет собой одновибратор и состоит из двух узлов (см. ђисунок 1):

генератор;
счетчик.

—астота генератора--5.5 +/- 0.5 Љѓц, что позволЯет получить на выходе делителЯ сигнал с периодом ’ около 3 мин. ’акаЯ величена задержки необходима длЯ того, чтобы watchdog дождалсЯ (не сделал сброса) выполнениЯ загрузки операционной системы, запуска watchdog-драйвера и получениЯ первого сигнала Ћ'Љ от него.

Џосле запуска программного обеспечениЯ, watchdog-драйвер вырабатывает сигнал Ћ'Љ с периодичностью t < T. ќтот сигнал сбрасывает в ноль счетчик watchdog-аппаратуры. Џри отсутствии сигнала сброса в течение периода T счетчик переполнЯетсЯ и аппаратура watchdog вырабатывает сигнал Reset--производит перезагрузку системы.

‘брос счетчика watchdog-аппаратуры (установка его в нулевое состоЯние) происходит также:

в момент включениЯ компьютера--при поЯвлении питаниЯ на watchdog-аппаратуре;
при поступлении сигнала Disable выключениЯ watchdog-аппаратуры. ќта возможность предусмотрена в схеме длЯ внешнего отключениЯ watchdog на времЯ отладочных и ремонтных операций, когда драйвер watchdog может быть и не запущен. ‘игнал Disable вырабатываетсЯ кнопкой Turbo системного блока компьютера.

„лЯ индикации работы watchdog-аппаратуры используетсЯ светодиод TurboLED (сигнал LED ).

3.1.3.4 ЏринципиальнаЯ схема аппаратуры Watchdog29.06.98

29.06.98
в схему аппаратной чати Watcdog внесены следующие изменениЯ:

увеличена частота миганиЯ светодиодом TurboLED;
изменена схема сброса от сигнала Ћ'Љ (добавлен транзистор VT1 длЯ усилениЯ и инвертированиЯ сигнала)

ќто повысило удобство контролЯ работоспособности Watcdoga и позволило использовать аппаратуру с материнскими платами, на которых сигнал на выходе разъема speaker имет небольшую амплитуду.

ђисунок 2. ЏринципиальнаЯ схема аппаратуры Watchdog 29.06.98

‘хема watchdog (см. ђисунок 2) реализована на распространенной специализированной часовой микросхеме Љ176€…12, имеющей в своем составе два инвертора и два делителЯ на 32768 и 60. ќто позволило обойтись при проектировании одним корпусом.

ѓенератор реализован на двух инверторах микросхемы DD1 (выводы 12, 13, 14) и внешних элементах R8, C3 и C4, задающих частоту генерации. —астота генератора подобрана достаточно высокой длЯ обеспечениЯ стабильности генерации и облегчениЯ запуска генератора.

‘четчик собран на делителЯх микросхемы DD1, включенных последовательно.

„лЯ индикации работы watchdog использован светодиод Turbo LED корпуса системного блока, мигающий с частотой взЯтой с выхода делителЯ на 32768.

‘игнал Reset вырабатываетсЯ при поЯвлении "1" на выходе делителЯ на 60 (вывод 4). ”ормирование сигнала производитсЯ транзисторами VT3 и VT4. €спользование двух транзисторов позволЯет подключать разъем reset с произвольной полЯрностью. ‘игнал Reset держитсЯ включенным в течение 1/120 T, а затем происходит сброс счетчика и снЯтие сигнала Reset. ќто реализовано на транзисторе VT2, выполнЯющем функции логического "€" с одним инвертированным входом.

Ќа диодах VD1, VD2 и транзисторе VT1 собран трехвходовый логический элемент "€‹€". Ћтключение watchdog производитсЯ кнопкой Turbo корпуса системного блока, при этом происходит установка на входе сброса счетчика логической единицы.

Џри установке watchdog-аппаратуры и подключении ее к материнской плате PC-роутера следует учитывать полЯрность разъемов Speaker и TurboLED.

‚ случае отсутствиЯ земли на разъеме Speaker материнской платы можно использовать контакт земли с разъема reset. „лЯ этого следует вместо транзистора V’4 установить перемычку между его коллектором и эмиттером. Џосле такой переделки следует особенно внимательно следить за полЯрностью подключениЯ watchdog-аппаратуры к разъемам Speaker и Reset.

‘пецификациЯ деталей платы Watchdog приведенa в таблице 3.

’аблица 3 ‘пецификациЯ деталей платы Watchdog 29.06.98

ЏозициЯ	Ћбозначение	Ќаименование	Љол.	Џримечание
Љонденсаторы
1	C1,C2,C5	ЉЊ-6-25‚-100н”	3
2	C3	ЉЊ-6-25‚-220п”	1
3	C4	ЉЊ-6-25‚-3н”	1
Њикросхема
4	DD1	Љ176€…12	1
ђезисторы
5	R1,R12	Њ‹’ 0,125‚т-180 Ћм 5%	2
6	R2	Њ‹’ 0,125‚т-1 кЋм 5%	1
7	R3,R4,R5	Њ‹’ 0,125‚т-100 кЋм 5%	3
8	R6,R7,R9-R11	Њ‹’ 0,125‚т-20 кЋм 5%	5
9	R8	Њ‹’ 0,125‚т-200 кЋм 5%	1
10	R13	Њ‹’ 0,125‚т-51 Ћм 5%	1
’ранзисторы
11	VT1,VT2	Љ’3107Ѓ	2	Љ’3107
12	VT3-VT5	Љ’3102…	3	Љ’3102ѓ,„
„иоды
13	VD1,VD2	Љ„522	2
ђазъемы
14	XP2	4-х штырьковый	1
15	XP3,XP4	2-х штырьковыe	2

Џри аккуратной сборке watchdog по схеме (см. ђисунок 2) с соответствующими номиналами (см. ’аблица 3) схема не требует наладки.

3.1.3.5 „ополнительные возможности Watchdog

‡аметим, что среди прочего установка watchdog в PC-роутер повышает дистанционную управлЯемость системы: администратор получает средство удаленного выполнениЯ жесткого сброса любого PC-роутера-длЯ этого достаточно остановить watchdog-драйвер и через времЯ ’ PC-роутер будет жестко ре-инициализирован.

3.1.3.6 ЉонструкторскаЯ документациЯ 29.06.98

Ќиже приведено изображение печатной платы watchdog в увеличенном массштабе. ЏечатнаЯ плата выполнена односторонней, с контактными площадками увеличенного диаметра и широкими (0.65 мм) проводниками. ќто позволЯет при необходимости воспроизвести ее в кустарных условиЯх. Љ контактам XS1 и XS2 следует припаЯть проводники, заканчивающиесЯ соответствующими разъемами, плЯ подключениЯ к материнской плате. Ѓолее полную конструкторскую документацию следует смотреть в Џриложении 5.

3.2 Џрограммное обеспечение и функции PC-роутера

3.2.1 ЋперационнаЯ система

‚ качестве операционной системы (Ћ‘) PC-роутера использована Ћ‘ Linux--свободный клон Ћ‘ UNIX. џдро Linux обеспечивает маршрутизацию IP-пакетов, фильтрацию пакетов (IP firewalling), подсчет пакетов (IP accounting), и работу с различными типами сетевых интерфейсов и протоколов. Ќами использовались:

интерфейсы Ethernet/RadioEthernet, V.35/RS-449, RS-232.
протоколы Ethernet, SLIP/CSLIP, PPP, Cisco HDLC.

3.2.2 Џоддержка устойчивости PC-роутера к отключению питаниЯ

‚ общем случае внезапные выключениЯ Unix-компьютера могут привести к нарушениЯм корректности файловой системы. ЏовреждениЯ возникают из-за того, что операции с файловой системой не ЯвлЯютсЯ неделимыми; например, модификациЯ файла включает в себЯ изменение как блоков файла, так и описателЯ файла (i-node), списка свободных блоков и т.д., которые записываютсЯ на диск несколькими раздельными операциЯми записи. Џосле выполнениЯ первой из операций и вплоть до завершениЯ последней файловаЯ система на диске находитсЯ в промежуточном, переходном состоЯнии; если в этот момент произойдет выключение, файловаЯ система так и останетсЯ в некорректном состоЯнии и будет требовать починки (fsck).

‚о многих случаЯх повреждениЯ оказываютсЯ несерьезными, так что при загрузке системы возможна автоматическаЯ починка без потери файлов (fsck -a). ’ем не менее, существует вероЯтность серьезного повреждениЯ, которое потребует починки в ручном режиме и, возможно, восстановлениЯ потерЯнных файлов. Џоэтому допускать повреждениЯ файловой системы PC-роутера нельзЯ, ибо это противоречит принципу необслуживаемости изделиЯ.

Ќами предложено следующее решение данной проблемы. Џоскольку повреждениЯ возникают исключительно как результат незавершенных операций записи на диск, мы можем избежать повреждений, работаЯ с диском в режиме "только на чтение" (read-only, r/o). Ћднако просто смонтировать весь диск read-only нельзЯ, поскольку длЯ полноценной работы системы требуетсЯ, чтобы некоторые каталоги (/tmp, /var/run, /var/log, ...) работали в режиме "чтение и запись" (read/write, r/w). Џри этом записываемаЯ в эти каталоги информациЯ носит преходЯщий характер (временные файлы, .pid файлы, файлы с отладочными протоколами и т.д.) Џоэтому полноценное решение проблемы выглЯдит так:

„иск PC-роутера разбиваем на два раздела, один read-only, другой read/write, и файловое дерево распределЯем между разделами так, чтобы требующие модификации каталоги находились на втором из них;
Џоскольку r/w раздел при выключении машины повреждаетсЯ, при загрузке системы мы создаем его (mkfs) заново и инициализируем с мастер-копии, хранЯщейсЯ на корневом разделе.

„етально реализациЯ устойчивости PC-роутера к отключению питаниЯ в произвольные моменты времени обсуждаетсЯ в приложении "Ћбеспечение целостности файловой системы при внезапных выключениЯх роутера".

3.2.3 IP-маршрутизациЯ, фильтрациЯ IP-пакетов

„лЯ многих применений PC-роутеров достаточно статической маршрутизации, но возможен и запуск на PC-роутере демона динамической маршрутизации (gated, протоколы BGP-4, OSPF-2).

Њожет быть поддержана (ipfwadm) и фильтрациЯ IP-пакетов

3.2.4 Ethernet-бриджинг

џдро Linux поддерживает работу PC-роутера в режиме моста (bridge), позволЯЯ объединЯть сегменты Ethernet в единую логическую сеть. Џри этом поддерживаетсЯ протокол IEEE Spanning Tree 802.1d, позволЯющий вносить избыточность в граф сети с целью повышениЯ устойчивости к отказам отдельных сегментов сети.

3.2.5 IPX-маршрутизациЯ

Linux поддерживает работу PC-роутера в режиме IPX-маршрутизатора (IPX router specification v1.20). ’акже поддерживаетсЯ передача IPX пакетов по PPP-каналам, и туннелирование IPX-in-IP. Џоддержана фильтрациЯ IPX-пакетов.

3.2.6 ‘ервер безопасности (firewall)

‚озможна организациЯ на базе PC-роутера сервера безопасности (firewall), обеспечивающего строгую регламентацию доступа к машинам обслуживаемой сети из внешнего мира.

3.2.7 „ополнительные функции PC-роутера

3.2.7.1 ‘татистический учет

PC-роутер может выполнЯть статистический учет (ipfwadm-2.3) по IP/IPX-трафику и по использованию модемного пула.

3.2.7.2 Љэширующий nameserver

Џри невысокой скорости линии свЯзи между локальной сетью и внешним миром, времЯ разрешениЯ доменных имен (преобразованиЯ имен в IP-номера) длЯ машин локальной сети может быть существенно улучшено за счет запуска на PC-роутере демона named в кэширующем режиме.

3.2.7.3 ‘пулер печати

Џодключение к PC-роутеру принтера позволЯет использовать его как сетевой принтер. Џричем возможна организациЯ преобразованиЯ данных перед печатью, например, из формата Postscript в формат команд принтера.

3.2.7.4 ’ерминальный сервер, обслуживание модемного пула

‚ ‘’ "Ѓотик" модемный пул подключен не к центральному серверу, а к PC-роутеру trub-router, достаточно удаленному от центрального сервера (6 км, два IP-перехода: 10Base-FL и RadioEthernet).

’аким образом, среди прочего данный PC-роутер работает и как терминальный сервер. Ћн обслуживает 16 асинхронных портов с модемами, обрабатывает входные звонки dial-up пользователей и организует передачу "по IP-тунелЯм" потоков данных от модемов к центральному серверу. ђеально же ("содержательно") работает с dial-up пользователЯми центральный сервер.

Џо этой же схеме организован прием FAX-сообщений на этот же модемный пул.

ЋрганизациЯ терминального сервера на PC-роутере весьма эффективное решение. Ћно позволЯет освободить центральный сервер от обработки многочисленных прерываний от асинхронных портов и разместить модемный пул там, где это удобно.

‡аинтересованному читателю рекомендуем сравнить функции и цены PC-роутера trub-router с его "железным" фирменным аналогом--претендентом в номинации "продукты длЯ компьютерной свЯзи" на выставке "Comdex/Spring'97" (см. http://www.equinox.com/termserv/termserv.html).

3.2.8 “даленнаЯ конфигурациЯ роутера

“даленнаЯ конфигурациЯ роутера производитсЯ в режиме терминального доступа по протоколам telnet или rlogin/rsh. ‚озможно также использование протокола SNMP.

‡амечаниЯ, предложениЯ и вопросы направлЯйте на tech@botik.ru