OpenWRT: WiFi 網路的開放平台

在本網站中,我們將介紹 OpenWRT 的歷史,並了解其在Linux作業系統下的架構。同時,提供各項 OpenWRT 的範例與設定操作,包含: 如何編寫一隻程式、更改 WiFi 網路的設定、甚至是新增一組訪客用的 WiFi 網路。希望能透過範例與說明,提供從框架到實作,有組織的 OpenWRT 介紹。

什麼是 OpenWRT ?

OpenWRT 是一個 Linux 為基礎的作業系統。

在 WiFi 一開始發展時,基本的架構就是一個微處理器,搭配 WiFi 的處理晶片。此時,WiFi AP 還是嵌入式系統 (如: VxWorks) 的 RTOS 架構進行運算。直到 2003 年 Linksys 推出了 WRT-54G 這台 WiFi AP (通訊規格為 802.11g),考慮到成本,以 Linux 作為其作業系統。

由於 Linux 開源散佈的特性,該作業系統也被要求開源發布,也就成為 OpenWRT 的前身。在 OpenWRT 推出後,震撼了消費型的 WiFi AP 市場。許多開源的工程師發現,這套作業系統可以用便宜的硬體,完成舉多高階AP的功能 (如:DHCP),也因此,OpenWRT 也就成為開發 WiFi AP 開放平台的主流。

Linksys 也是一家有趣的公司,其創辦人曹英偉先生與吳建女士來自台灣。該公司一開始的目標即為消費性的 WiFi AP,並以低廉的價格,成功搶下 Cisco 的市占,成為美國消費性 WiFi AP 的龍頭。後來,為了拓展全世界的市場,被 Cisco 買下,十年後又轉手於 Belkin。在今年 (2018年) 鴻準收購 Belkin 後,成為鴻海旗下品牌。是跟台灣連結很深的一家網通品牌。

Linksys WRT-54G (來自Wiki)

回歸 OpenWRT 的討論,考慮到 OpenWRT 已經被廣泛驗證,同時,硬體的快速發展也讓內存 (RAM) 和運算 (CPU) 更便宜省電。因此,在過往 RTOS 帶來的好處,漸漸比不上開發的便利性, 這些變化,一步步的將 OpenWRT 推向普及。

事實上,當前的主流 WiFi 晶片商 (如: MTK, Qualcomm),都會藉由 OpenWRT 作為其晶片組的開發公版,提供網通廠進行開發。這些測試公版除了基本網路功能的驗證外,也提供部分硬體加速功能 (如:NAT 硬體加速)。因此,網通廠就可以花最小的力氣,修改公版,並提出自己的產品。 這樣的發展就像是 MTK 當初藉由 Android 的公版作業系統推廣白牌手機一般。OpenWRT 的出現,也讓白牌 WiFi AP 能夠更容易進入市場,甚至有一些廠商 (GL.iNet, 小米) 就是以 OpenWRT 的原生支援作為主打,提供使用者自由開發的 WiFi AP。

不過小米的 OpenWRT 並不在開放架構下,正確來說,小米的系統想要創建一個新的生態系,因此,連最基本的 OPKG 都不支援。

然而,由於 WiFi AP 畢竟還是沒有那麼地貼近使用者。因此,也尚未如 Android 一般,形成應用市集,而讓該作業系統蓬勃發展。目前 OpenWRT 仍停留在開發者的社群內,尚未普及至大眾。 如何建構出多樣、而吸引人的網路應用,以及多 WiFi AP 間的共同溝通介面,會是 OpenWRT 走向普及的關鍵。

OpenWRT 的架構

對於 OpenWRT 系統來說,最重要的功能就是提供網路通訊。 而對於 WiFi AP 而言,網路一共分成兩個角色:

  1. 作為有線網路的路由器

  2. 作為 WiFi 無線網路主控節點

而對應於 OpenWRT 的設定檔而言,則是對應於 network 和 wireless 兩個設定檔中。 為了理解這兩個檔案的設定,我們要先理解硬體上的設定,我們以 TP-Link 1043 為例,其 CPU、 有線網路和無線網路的關聯性如下圖:

來自: https://openwrt.org/fr/toh/tp-link/tl-wr1043nd

從上圖, 我們可以看到在 OpenWRT 的架構下,我們可以看到兩個主要的單元: Switch 和 CPU, 對於 Switch 而言,又分成兩種角色:

  1. 一種是 LAN 的連結埠 (對內網),為 1, 2, 3, 4 port

  2. 一個為 WAN 的連結埠 (對外網),為 5 port

同時,有兩個虛擬的連結埠,分別為對應 CPU 運算資源的 0 port,以及 DHCP 的 6 port。 至於 WiFi 網路則是歸屬於 CPU 的區塊,和 Switch 的 LAN 透過 br-lan 以及 port 0 連起來,因此, 若是以網路的角度來看, 一共有兩個網路。一個是 LAN 也就是圖上標示為 VLAN1 的部分,另一個則是 WAN, 也就是圖上標示為 VLAN2 的部分,而 config 中的 network 設定, 主要就是負責兩個 VLAN 的連結。

在 OpenWRT 的預設設定中,/etc/config/network 的設定可以分成兩部分。

第一部分是CPU那一端的設定檔:

config 'interface' 'loopback'
option 'ifname' 'lo'
option 'proto' 'static'
option 'ipaddr' '127.0.0.1'
option 'netmask' '255.0.0.0'
config 'interface' 'lan'
option 'ifname' 'eth0.1'
option 'type' 'bridge'
option 'proto' 'static'
option 'ipaddr' '192.168.1.1'
option 'netmask' '255.255.255.0'
config 'interface' 'wan'
option 'ifname' 'eth0.2'
option 'proto' 'dhcp'

在此部分,我們可以看到,對於 CPU 那一端的網路設定而言,除了 Linux 常見的 loopback 網路設定外,還有兩張網卡 (eth0.1 和 eth0.2),分別對應於上圖內的 eth1 和 eth2,事實上, eth0.1 和 eth0.2 對應於同一張物理網卡,只是虛擬成兩張網卡使用。

第二部分為 switch 和 VLAN 的設定:

config 'switch'
option 'name' 'rtl8366rb'
option 'reset' '1'
option 'enable_vlan' '1'
config 'switch_vlan'
option 'device' 'rtl8366rb'
option 'vlan' '1'
option 'ports' '1 2 3 4 5t'
config 'switch_vlan'
option 'device' 'rtl8366rb'
option 'vlan' '2'
option 'ports' '0 5t'

在對於 switch 的設定中,port 0 對應 WAN,port 1, 2, 3, 4 則對應於 LAN 的四個連接孔位,至於其中最特別的 5t,則是對應於 CPU 連線。詳細說明可以參考:

完成以上設定後,根據 ifconfig 可以得到以下資訊,包含在 /etc/config/network 中沒有出現的 br-lan。我們可以得到和上圖所呈現的架構一致:

br-lan Link encap:Ethernet HWaddr F8:1A:67:CA:C3:08
inet addr:192.168.1.1 Bcast:192.168.1.255 Mask:255.255.255.0
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:454023 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:383797 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:32715386 (31.1 MiB) TX bytes:109967909 (104.8 MiB)
eth0 Link encap:Ethernet HWaddr F8:1A:67:CA:C3:08
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:454143 errors:0 dropped:0 overruns:94127 frame:0
TX packets:709113 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:40899622 (39.0 MiB) TX bytes:243905909 (232.6 MiB)
Interrupt:4
eth0.1 Link encap:Ethernet HWaddr F8:1A:67:CA:C3:08
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:454023 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:383797 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:34531478 (32.9 MiB) TX bytes:111503097 (106.3 MiB)
eth0.2 Link encap:Ethernet HWaddr F8:1A:67:CA:C3:08
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:325311 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:132401577 (126.2 MiB)
lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1
RX packets:5441389 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:5441389 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:379240032 (361.6 MiB) TX bytes:379240032 (361.6 MiB)

上述主要內容來自於 OpenWRT 的官方網站,考慮到不同裝置間的差異性,在設定上會有所不同,尤其是 network 的設定檔,這裡的設定一開始最好用預設的數值,任意更改可能會造成網路的失效,當如法順利透過 SSH 連進 OpenWRT 系統時,就很並更改設定了...

以下是參考的資料來源: