SISTEMA EMBARCADO COM ACESSO SEM-FIO

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1 EDUARDO MALTAURO NICKEL WILLIAM KUHL SVOBODA MARQUES BESSA SISTEMA EMBARCADO COM ACESSO SEM-FIO Monografia apresentada à disciplina de Projeto de Graduação como requisito para a conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Eduardo Parente Ribeiro CURITIBA 2010

2 SUMÁRIO LISTA DE SIGLAS... i RESUMO... iv 1 INTRODUÇÃO Objetivo FUNDAMENTAÇÃO Hardware Microprocessador Memória RAM Memória Flash Interface USB Interface Serial Interface Ethernet Rede Sem-Fio IEEE Mini PCI SDIO GPIO Software Linux Distribuições Linux OpenWRT DD-WRT Tomato Impressão LPR CUPS Compartilhamento de Arquivos Samba Servidor Web httpd e BusyBox Lighttpd... 16

3 uhttpd Gerenciadores de Transferência de arquivos Ctorrent Transmission wget Pure-FTPd Firewall Iptables METODOLOGIA Seleção do Hardware Ubiquiti RouterStation PRO Seleção da Distribuição Linux Funcionamento do sistema Software OpenWRT Rede Ethernet Rede Sem-Fio IEEE Firewall Servidor Web Servidor FTP Suporte a USB Armazenamento Câmera BitTorrent Samba Impressão GPIO Interface Gráfica RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 43

4 i LISTA DE SIGLAS AC Alternate Current Corrente Alternada ARM Advanced RISC Machine Máquina RISC Avançada BSD Berkeley Software Distribution Distribuição de Software Berkeley CGI Common Gateway Interface Interface de Gateway comum CIFS Common Internet File System Sistema de arquivo comum da Internet CPU Central Processing Unit Unidade de Processamento Central CUPS Common Unix Printing System Sistema de Impressão Unix Comum DC Direct Current Corrente Contínua Daemon Disk and Execution Monitor Monitor de Disco e Execução DDR Double Data Rate Taxa de Transferência Dobrada DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Protocolo de Configuração Dinâmica de Endereços de Rede DNS Domain Name Service Serviço de Nome de Domínios EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory Memória de leitura programável e apagável eletricamente EHCI Extended Host Controller Interface Interface Controladora do Host Estendido EIA Electronics Industries Association Associação da Indústria Eletrônica ESD Electrostatic Discharge Descarga Eletrostática EXT3 Third Extended File System Sistema de Arquivo Extendido Três Fast CGI Fast Common Gateway Interface Interface rápida de Gateway comum FTP File Transfer Protocol Protocolo de Transferência de Arquivos Gbps Giga bits per second Giga bits por segundo GPIO General Purpose Input / Output Entrada/Saída de Finalidades Gerais GPL General Public License Licença Pública Geral GPS Global Positioning system Sistema de posicionamento global HCI Host Controller Interface Interface Controladora do Computador HD Hard Drive Disco Rígido HTTP Hypertext Transfer Protocol Protocolo de Transferência de Hipertexto IBM Internacional Business Machines IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos IMAP Internet Message Access Protocol Protocolo de Acesso a mensagens da Internet IP Internet Protocol Protocolo Internet JFFS2 Journaling Flash File System Sistema de Arquivo Flash Journaling LAN Local Area Network Rede de Área Local LPR Line Printer Remote Impressora Remota em Linha

5 MAC Media Access Control Controle de Acesso ao Meio MB Mega Bytes Mega Bytes Mbps Mega bits per second Mega bits por segundo MIPS Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages Microprocessador Sem Estágios Interligados de Pipeline MSC Mass Storage Class Classe de Armazenamento de Massa NTFS New Technology File System Nova Tecnologia de Sistemas de Arquivo OHCI Open Host Contoller Interface Interface Controladora do Host Aberta OS Operational System Sistema Operacional OSI Open Systems Interconnection Interconexão de Sistemas Abertos PC Personal Computer Computador Pessoal PCI Peripheral Communication Interface Interface de comunicação de periféricos PDA Personal Digital Assistant Assistente Digital Pessoal PHP Hypertext Preprocessor Pré Processador de Hipertexto POE Power Over Ethernet Energia Sobre Ethernet RAM Random Access Memory Memória de Acesso Aleatório RS-232 Recommended Standard 232 Padrão Recomendado 232 SD Secure Digital Digital Seguro SDIO Secure Digital Input / Output Entrada/Saída Digital Segura PLC Power Line Communication Comunicação por Linha de Energia SMB Server Message Block Bloco de mensagem de servidor SOHO Small Office / Home Office Pequeno Escritório / Escritório em Casa SPI Serial Peripheral Interface Interface Serial de Periféricos Spool Simultaneous Peripheral Operation Online Operação Simultânea de Periféricos em Linha SquashFS Squash File System Sistema de Arquivo Squash SSH Secure Shell Shell Seguro TB Tera Byte Tera Byte TCP Transmission Control Protocol Protocolo de Controle de Transmissão TELNET Telecommunication Network Rede de telecomunicação TFTP Trivial File Transfer Protocol Protocolo de Transferência de arquivos trivial UCI Unified Configuration Interface Interface de Configuração Unificada UHCI Universal Host Contoller Interface Interface Controladora do Host Universal UMS Universal Mass Storage Armazenamento de Massa Universal URL Uniform Resource Locator Localizador Padrão de Recursos USB Universal Serial Bus Barramento Serial Universal UVC USB Video Class Classe de Vídeo USB VFAT Virtual File Allocation Table Tabela de Alocação de Arquivos Virtual VLAN Virtual Local Area Network Rede de Area Local Virtual WAN Wide Area Network Rede de área alargada Wi-Fi Wireless Fidelity Fidelidade Sem Fio ii

6 WNIC Wireless Network Interface Card Cartão de Interface à Rede Sem Fio WLAN Wireless Local Area Network Rede de Área Local Sem Fio WPA Wi-Fi Protected Access Acesso Protegido ao Wi-Fi WRT Wireless Receiver/Transmitter Transmissor/Receptor Sem fio XHCI Extensible Host Contoller Interface Interface Controladora do Host Extensível iii

7 iv RESUMO Com a redução dos custos e da conseqüente popularização dos dispositivos conectados em rede, torna-se interessante buscar novas possibilidades de aproveitamento destes equipamentos para diversas funções. Este projeto visa desenvolver, a partir de um hardware genérico de roteamento sem-fio, um equipamento multifuncional para atender a diversas necessidades em um ambiente residencial ou pequeno escritório. Para isso, foram implementadas as funções de maior necessidade neste tipo de ambiente, como serviços de compartilhamento de arquivos e impressoras, rede sem-fio, monitoramento com câmera, roteamento e armazenamento de arquivos. No geral, a solução apresentada obteve resultados satisfatórios dentro das possibilidades do equipamento, porém necessitando de pequenas melhorias. Desta forma, verificou-se que este tipo de sistema foi capaz de realizar todas as funções propostas, valorizando e aumentando a funcionalidade de um sistema sem-fio embarcado.

8 1 1 INTRODUÇÃO As redes sem-fio ou wireless, especialmente as redes baseadas no padrão IEEE , estão se tornando cada vez mais populares, principalmente devido à popularização dos computadores portáteis como: notebooks, laptops, netbooks e smartphones. Outro fator que ajuda a difundir ainda mais esse padrão de rede sem-fio é a sua facilidade de instalação e configuração, que não necessita de cabos e demanda menos equipamentos de infra-estrutura. Sendo assim, os roteadores sem-fio, que são os equipamentos responsáveis pelo funcionamento das redes wireless em uma LAN podem ser capazes de realizar diversas tarefas que vão além de disponibilizar o sinal eletro-magnético e fazer o roteamento dos pacotes IP (Internet Protocol). Esses equipamentos, usualmente, vêm com recursos de hardware capazes de trabalhar com sistemas operacionais baseados em Linux e com interfaces de comunicação que vão além do padrão Ethernet e do IEEE (Wi-Fi). Os roteadores sem-fio, dependendo do fabricante e do modelo, muitas vezes apresentam diversas conexões, como Serial, USB (Universal Serial Bus) e GPIO (General Purpose Input/Output). Desta forma, contando com as conexões extras, com um sistema operacional flexível e com recursos de hardware suficientes, é possível aproveitar melhor o equipamento fazendo com que os rotadores wireless funcionem como equipamentos multifuncionais, com capacidade para controlar os mais variados dispositivos externos, mantendo a sua função original de roteador. 1.1 Objetivo O objetivo principal deste projeto é demonstrar com o conceito de se utilizar um sistema embarcado com acesso sem-fio e equipamentos multifuncionais, procurando novas funções que esses dispositivos eletrônicos podem realizar. Considerando isso, pretende-se desenvolver a partir de um equipamento comercial que suporte o sistema operacional Linux embarcado, que tenha interfaces extras de comunicação e requisitos de hardware, um roteador sem-fio multifuncional capaz realizar as seguintes funções extras: servidor de arquivos para a rede local, servidor de

9 2 impressão, interface de configuração através de um navegador de Internet, gerenciador de arquivos, streaming de mídia, servidor de transferência de arquivos (downloads) e disponibilizar imagens a partir de uma câmera de vídeo (webcam). Este trabalho está estruturado da seguinte forma. Primeiramente é desenvolvida a fundamentação, onde estão embasadas as escolhas do hardware (roteador comercial) e da distribuição do sistema operacional Linux embarcado. Em seguida, está desenvolvida a metodologia do projeto, onde está explicado como ocorreu o seu desenvolvimento e, também, é feita uma explicação geral do funcionamento do sistema. Neste momento, verificam-se também os recursos necessários e as configurações feitas para o seu desenvolvimento. A seguir, existe um capítulo de resultados obtidos onde, a partir do que foi realizado na metodologia e na fundamentação, são demonstrados os dados obtidos após o desenvolvimento do dispositivo. Finalmente, a conclusão, onde são analisados os resultados, verificando-se se eles condizem com o objetivo. Além disso, são analisadas as deficiências do projeto e melhorias que podem ser feitas, conjuntamente com uma abordagem sobre futuros projetos que podem ser realizados a partir dos estudos realizados neste projeto.

10 3 2 FUNDAMENTAÇÃO Inicialmente, a realização deste projeto ocorre pela seleção dos seus sistemas básicos: o roteador sem-fio propriamente dito (hardware) e a distribuição Linux que será embarcada e desenvolvida (software) nesse roteador. Assim, deve-se levar em consideração que o sistema embarcado tem requisitos básicos tanto de hardware quanto de software para que ele possa ser desenvolvido [42], considerando, inclusive, as novas funções propostas nesse projeto. 2.1 Hardware A partir dessas considerações e outras pesquisas, foram determinadas as necessidades de hardware para que o roteador sem-fio multifuncional funcione com desempenho adequado. Então, estabeleceu-se que o sistema deveria ter os seguintes requisitos básicos: Microprocessador com freqüência de operação maior que 300 MHz; Memória RAM (Random Access Memory) com capacidade superior a 32MB; Memória Flash com 16 MB (Mega Bytes) ou mais; Interfaces de Comunicação: USB, Ethernet, Serial (DB9), Mini PCI, Rede Sem-Fio IEEE , SD Card e GPIO (General Purpose Input/Output) Microprocessador O microprocessador é um circuito integrado que é responsável pela execução das instruções de cálculo e tomadas de decisões do sistema, de maneira que todos os computadores e equipamentos eletrônicos o utilizam para executar suas funções [38]. Então, este é o principal componente do sistema de hardware, pois ele controla a velocidade geral do sistema. Portanto, esse elemento do sistema é vital para que o equipamento tenha um bom desempenho geral. A escolha do parâmetro de freqüência de processamento acima de 300 MHz se justifica devido à maior capacidade de processamento necessária para realizar as

11 4 funções extras. Em uma pesquisa feita, verificou-se que os roteadores sem-fio básicos usualmente utilizam processadores da arquitetura MIPS (microprocessor without interlocked pipeline stages) de 32 bits com freqüência entre 125 e 200 MHz. Sendo assim, estimou-se que um processador de 300 MHz seria suficiente para atender a demanda do sistema multifuncional Memória RAM A memória RAM (Random Access Memory) é a memória volátil de um sistema computadorizado, ou seja, ela preserva as informações gravadas enquanto estiver sendo energizada [39]. Este tipo de memória permite que os dados gravados sejam acessados em qualquer ordem (at random). Logo, a memória RAM é utilizada em operações que necessitam de grande velocidade de leitura e escrita e que não necessitam ser armazenadas no sistema após o seu desligamento. O dimensionamento da memória RAM do sistema foi estabelecido com quantidade superior a 32 MB, para que o sistema tenha a capacidade de gerenciar todo o sistema operacional e os demais softwares necessários a partir da RAM, tendo melhor desempenho Memória Flash A memória Flash é um tipo específico de memória da família EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) desenvolvido pela Toshiba [40]. Este tipo de memória pode ser escrita ou apagada eletricamente por diversas vezes, preservando as informações mesmo sem estar ligada a uma fonte de alimentação. O diferencial das memórias Flash é que elas são programadas em blocos de dados, ganhando em velocidade de escrita e leitura. Então, justamente nesse espaço de memória é que os sistemas embarcados armazenam seu sistema base, ou sistema operacional. A quantidade de memória Flash de 16 MB foi estimada como mínimo necessário para que o sistema pudesse atender a todas as funções extras. Isso ocorre, porque as distribuições Linux para sistemas embarcados existentes atualmente, utilizam algo em torno de 8 MB de espaço. Desta forma, com o sistema sendo

12 5 multifuncional mais espaço seria necessário para que as novas aplicações fossem instaladas e desenvolvidas. Vale lembrar que este tipo de memória também é utilizado nos dispositivos de armazenamento portáteis, conhecidos como Flash Drive Interface USB O padrão de comunicação USB (Universal Serial Bus) é um tipo de conexão externa plug and play (ligar e usar), que estabelece a comunicação de um computador com periféricos sem a necessidade de reinicializar o sistema [57]. O USB estabelece a comunicação na forma serial, um bit de cada vez, e pode atingir velocidade de até 480 Mbps. Este padrão ficou muito popular, pois facilitou muito a configuração de dispositivos externos ao computador, fazendo com que usuários sem experiência fossem capazes de instalar um novo periférico no sistema sem maiores dificuldades. Assim, é fundamental que o roteador sem-fio tenha seu controlador, com pelo menos um conector físico USB para que seja possível fazer a comunicação com dispositivos externos, como, por exemplo, uma câmera (webcam) ou um dispositivo de armazenamento de informação. Desta forma, a conexão USB é quem influirá indiretamente para que o roteador sem-fio se torne multifuncional Interface Serial A interface serial ou porta serial, também conhecida como RS-232 é um padrão de comunicação utilizado para conectar periféricos e outros equipamentos de hardware a um computador [35]. No padrão serial, os bits são transferidos em série ou sem fila, sendo um bit de dado transferido de cada vez. O RS-232 foi padronizado em 1969 pela EIA (Eletronics Industries Association), definindo principalmente as características elétricas e mecânicas para que funcione a comunicação. Apesar deste tipo de comunicação ser relativamente antigo, ele vem resistindo até os dias de hoje devido à sua simplicidade e confiabilidade. Definiu-se, então, que o hardware do sistema embarcado poderia ter esta interface para que fosse possível ligar outros periféricos, aumentando a característica multifuncional do equipamento. Além disso, esta interface pode ser utilizada para

13 6 fazer a comunicação via terminal, já que o terminal via interface serial facilita o trabalho quando ocorrem erros de configuração no roteador Interface Ethernet Ethernet é um padrão de comunicação para redes locais (LAN - Local Area Network) baseado no envio de pacotes de dados [31]. O padrão define o tipo de cabeamento e conectores, sinais elétricos para a camada física da rede, o formato de pacotes e os protocolos para a camada de controle de acesso ao meio (MAC - Media Access Control) do modelo OSI (Open Systems Interconnection). O Ethernet foi normatizado pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) como IEEE Nos anos 90, o modelo IEEE se tornou a tecnologia de redes de computadores mais difundida no mundo. Diversas normas regem o padrão IEEE As normas mais utilizadas são a IEEE 802.3u e IEEE 802.3ab. A norma 802.3u, ou Fast Ethernet, regula os links de comunicação utilizando cabos de par trançado categoria 5 (CAT 5) à velocidade de 100 Mbit/s. O Gigabit Ethernet, ou 802.3ab, determina as especificações para a comunicação através de cabos de par trançado à velocidade de 1000 Mbps (ou 1 Gbps). Vale lembrar, a norma IEEE 802.3af, também conhecida como POE (Power Over Ethernet), que torna possível o fornecimento de até 25,5W de potência à até 48V em corrente contínua através do cabo de par trançado categoria 5 ou superior [41]. Devido a sua popularidade, a maioria dos roteadores no mercado utiliza este padrão de comunicação para redes locais, assim como os computadores. Então, para este projeto, determinou-se que o roteador sem-fio tenha, pelo menos, uma interface Ethernet para WAN (Wide Area Network) e duas LAN. A interface WAN é necessária, pois é ela quem recebe e envia sinais (ou os pacotes IP) para outra rede como, por exemplo, a Internet. As interfaces físicas LAN são necessárias para que os computadores que não se comunicam pela rede sem-fio também possam ser abrangidos.

14 Rede Sem-Fio IEEE A norma IEEE , que define os padrões para comunicação sem-fio em uma rede local (WLAN Wireless Local Area Network), também é conhecida como Wi- Fi (wireless fidelity) ou popularmente chamada de wireless [34]. A família inclui as técnicas de modulação que utilizam o mesmo protocolo básico para comunicação. Os protocolos mais populares são o b, g e n. As diferenças entre esses protocolos passam pelos tipos de modulação, largura de banda do canal e a freqüência utilizada para estabelecer a comunicação entre os dispositivos da rede, determinando a velocidade de conexão. As velocidades máximas de conexão da norma IEEE variam de acordo com o padrão utilizado. Para os padrões IEEE a e IEEE g a velocidade máxima de conexão é de 54 Mbps, operando à freqüência de 5 GHz e 2,4 GHz, respectivamente. Já o padrão IEEE b opera à velocidade é de 11 Mbps e o IEEE n é opera em 150 Mbps, ambos à freqüência de 2,4 GHz. As redes sem-fio, pelo fato de estarem abertas, necessitam do uso de sistemas de segurança que controlam o acesso à rede. A segurança nas redes sem-fio é feita utilizando canais de comunicação criptografados, que podem ser acessados através de uma chave de criptografia escolhida pelo administrador da rede. Neste projeto é fundamental a utilização da comunicação pela rede sem-fio , já que essa é a proposta principal de um roteador wireless. Então, é necessário que o rádio que disponibiliza a rede sem-fio suporte protocolos de comunicação mais populares, sendo eles o b e g. Além disso, o rádio deve possuir protocolo de criptografia de segurança da rede, utilizando protocolos de segurança confiáveis como WPA (Wi-Fi Protected Access) e WPA Mini PCI A interface de comunicação Mini PCI [23] é uma implementação alternativa do padrão PCI (Peripheral Component Interconnect). O padrão PCI é utilizado para conectar periféricos em computadores baseados na arquitetura IBM PC. A comunicação via PCI se dá na forma de barramento, ou seja, todos os dispositivos são ligados no mesmo canal de comunicação. Além disso, o esta interface oferece taxas de

15 8 transferência de dados suficientemente grandes para uma grande variedade de dispositivos. Então, como o próprio nome indica o Mini PCI é uma espécie de miniaturização física do PCI, tendo as placas Mini PCI menores dimensões. O Mini PCI surgiu para que este tipo de comunicação pudesse ser usado em dispositivos eletrônicos de pequenas dimensões, como é o caso dos roteadores sem-fio. No projeto do roteador sem-fio multifuncional, existem diversos dispositivos que poderiam utilizar a conexão Mini PCI. A placa de rede sem-fio, ou WNIC (Wireless Network Interface Card), é o dispositivo que certamente utilizará esta interface. A vantagem de utilizar uma WNIC é que com ela pode-se escolher um modelo mais específico de rádio, determinando-se, por exemplo, parâmetros como potência do sinal emitido, tipos de modulação e outras opções do padrão de redes sem-fio IEEE SDIO O cartão de memória SD (SD Card ou Secure Digital Card) é um formato de memória não-volátil fabricado com memória do tipo Flash, desenvolvida especificamente para o uso em dispositivos portáteis [55]. Este formato de armazenamento é amplamente utilizado atualmente em câmeras digitais, netbooks, PDAs, telefones celulares, aparelhos GPS e consoles de vídeo-game. Atualmente os cartões SD tem capacidade de armazenamento entre alguns Mega Bytes até 2 Tera Bytes, dependendo do tipo de cartão SD. Para o sistema embarcado com acesso sem-fio, verificou-se que a necessidade de uma interface SDIO (Secure Digital Input / Output). Contando com uma interface SDIO, o dispositivo tem a vantagem de poder ler cartões de câmeras fotográficas digitais, podendo disponibilizar essas informações para a rede. Além disso, é possível utilizar um cartão SD como um disco local do roteador sem fio, ampliando o espaço para armazenamento de programas e desocupando a interface USB GPIO GPIO é o acrônimo de General Purpose Input/Output [2]. Esta interface é utilizada em alguns dispositivos para que o microprocessador ou micro-controlador

16 9 tenha uma ou mais conexões para fazer o comando de dispositivos externos ou periféricos. A GPIO pode funcionar como uma entrada, para ler sinais digitais de outros circuitos, ou como saída, para controlar ou sinalizar outros dispositivos. Fisicamente, o GPIO é freqüentemente arranjado em portas formadas por grupos de oito, que normalmente possui pinos multipropósitos configuráveis como entradas ou saídas. Para este projeto, é interessante que o dispositivo tenha interface GPIO. Esta interface, como o próprio nome indica como sendo de finalidades gerais, seria muito útil para fazer o acionamento de aparelhos externos ao roteador, podendo servir, por exemplo, para fazer a automatização residencial. 2.2 Software Após a determinação do hardware do sistema embarcado, pesquisou-se por quais sistemas operacionais (ou firmwares) seriam compatíveis com o dispositivo escolhido. Sendo assim, verificou-se que os sistemas operacionais para este tipo de aplicação são baseados em núcleos GNU/Linux. Então, procurou-se uma distribuição deste sistema operacional que fosse compatível com o hardware e que melhor se adaptasse às necessidades do projeto Linux O Linux é um núcleo ou kernel em que um sistema operacional é estruturado [37]. O sistema operacional é um conjunto de programas que fazem interface entre o usuário e o computador, sendo o responsável pelo gerenciamento de recursos e periféricos (como memória, discos, arquivos, impressoras), interpretação de mensagens e a execução de programas. O sistema Linux foi desenvolvido em 1991, pelo então universitário finlandês Linus Torvalds. O código fonte do Linux é aberto e está disponível sob licença GPL (General Public License) para qualquer pessoa que o utilizar, estudar, modificar e distribuir de acordo com os termos da licença. Desta forma, após a sua aparição, devido à sua flexibilidade de desenvolvimento e por ser de código aberto, o Linux passou a ter diversas distribuições, organizadas por diversos grupos pelo mundo.

17 10 Neste projeto, será utilizado um sistema operacional baseado em kernel Linux para fazer o funcionamento do hardware. Após a realização de pesquisa na Internet, várias distribuições Linux foram encontradas para sistemas embarcados Distribuições Linux Uma Distribuição Linux (ou distro ) é um sistema operacional baseado no kernel Linux e um conjunto variável de outros aplicativos [37]. Esta coleção de software livre e não-livre é criada e mantida por indivíduos, grupos e organizações de todo o mundo, incluindo o grupo Linux. As distribuições do Linux ficaram populares na segunda metade dos anos 90, como uma alternativa livre em relação aos sistemas operacionais Microsoft Windows e Apple MacOS. Como o Linux e a maior parte dos softwares incluídos em distribuições são livres, qualquer organização ou indivíduo pode criar e disponibilizar a sua própria distribuição. Para sistemas embarcados, existe uma infinidade de distribuições específicas. O sitio DistroWatch indica algumas delas [5], sendo elas listadas a seguir: BlueCat Linux DIET-PC ELinOS elux EMC emknoppix imedia KaeilOS KaufKauf Slim Linux LEAF LynxOS RTOS MediaBoxOS Metrowerks MontaVista Linux OpenWrt Pico/Linux RTLinux TimeSys TinyOS uclinux Voyage Linux Como uma das intenções deste projeto é fazer o desenvolvimento do sistema embarcado utilizando um sistema Linux de código aberto, serão descritas aquelas distribuições que são mais conhecidas e desenvolvidas para trabalhar com sistemas de roteamento sem-fio. Então, a seguir são apresentadas as distribuições OpenWRT, DD- WRT e Tomato.

18 OpenWRT A distribuição Linux denominada OpenWRT é desenvolvida principalmente para ser instalada em sistemas embarcados, especialmente em roteadores residenciais [14]. O nome OpenWRT surgiu do WRT a partir do nome dos roteadores sem-fio da Cisco da linha Linksys WRT54G. A sigla WRT é o acrônimo de Wireless Router Technology (Tecnologia de Roteador Sem-Fio), e Open vêm do inglês e significa aberto. Então, o nome OpenWRT significa algo como Tecnologia de Roteador Sem-Fio Aberta. Ou seja, significa a abertura do sistema para o seu desenvolvimento livre, sem depender do firmware desenvolvido pelo seu fabricante. Sendo construído em cima de um kernel Linux, o OpenWRT atualmente contém uma coleção em crescimento de diversos pacotes de software para incrementar as suas funcionalidades. Para desenvolver o sistema, inicialmente utilizase uma interface de linha de comando, via interface serial, SSH ou TELNET. Entretanto, o OpenWRT também possibilita o desenvolvimento de interface gráfica GUI (Graphical User Interface). Atualmente, o projeto está com bom nível de desenvolvimento e trás muitas possibilidades de aplicação, sendo apenas limitado pelas capacidades do hardware onde o sistema está embarcado. Além disso, esta distribuição Linux suporta uma grande variedade de roteadores e sistemas de desenvolvimento, com diversas capacidades. A comunidade do projeto OpenWRT conta uma boa base de apoio baseada em Fórums, Wiki e no próprio sitio. Uma das principais vantagens da distribuição consiste na ferramenta opkg, um leve sistema de gerenciamento de pacotes que possui um vasto repositório mantido e disponibilizado pelo projeto OpenWRT e OpenEmbedded. Este repositório que visa facilitar a aquisição e atualização de pacotes de softwares disponíveis para a plataforma DD-WRT O DD-WRT é outro projeto de desenvolvimento de um sistema operacional de código aberto baseado em Linux, construído para uma grande variedade de roteadores sem-fio e sistemas embarcados [9]. O nome DD-WRT também tem origem na sigla

19 12 WRT do nome do roteador WRT54G da Cisco, já que eles foram os primeiros suportados pelo sistema. Não foi encontrado o significado oficial da sigla DD no nome da distribuição. A ênfase principal do DD-WRT é prover a maior facilidade de utilização e ao mesmo tempo suportar uma grande quantidade de funcionalidades e plataformas de hardware. Esta distribuição Linux já vem instalada com interface gráfica operada via navegador Web que pode ser facilmente configurada. Além disso, o sistema é desenvolvido com foco na sua velocidade e estabilidade. Aliado a isso, o DD-WRT possibilita a adição de novos recursos que não são suportados originalmente pelo firmware do fabricante do roteador. A grande comunidade de usuários também dá suporte ao desenvolvimento do DD-WRT. Graças a isso, os potencias problemas no sistema podem ser detectados rapidamente e corrigidos no menor tempo possível. O DD-WRT também conta com Fórum, Wiki e site próprio mantidos pela comunidade de desenvolvimento. Apesar de se basear em código aberto, a comunidade DD-WRT também disponibiliza plataformas para uso comercial que dependem de licença paga. As versões comerciais possibilitam a configuração infra-estruturas de rede mais confiáveis e poderosas Tomato O firmware Tomato é uma distribuição baseada em Linux gratuita para roteadores sem-fio [25]. Os modelos de roteadores suportados são aqueles fabricados com chipset do fabricante Broadcom. A principal característica desta distribuição é o fato dela ser leve e simples, estando direcionada para estabilidade, velocidade e eficiência. A grande vantagem deste sistema operacional é o fato de ele ter uma interface Web de fácil utilização, que conta com diversos controles extras para a rede, como gráfico de controle de banda, controle de conexões e outras. Entretanto, pelo fato da distribuição Tomato não contar com uma grande variedade de roteadores suportados, ele não é muito popular. Portanto, não conta com uma grande comunidade para auxiliar o seu desenvolvimento e dar suporte ao projeto. Desta forma, a documentação para fazer o desenvolvimento desta

20 13 distribuição é limitada, assim como os pacotes de software para adicionar funções não suportadas pelo firmware original dos roteadores. Especificamente para o projeto de um sistema embarcado sem-fio com multifunções, esta distribuição não se apresenta como a mais indicada. Isso se deve, principalmente, ao fato de que ela não conta com suporte ao armazenamento de arquivos por interface USB e SDIO, que fazem parte da base deste projeto Impressão Uma das propostas deste projeto é que o sistema embarcado sem-fio funcione como um servidor se impressão. Sendo assim, a seguir estão descritos alguns utilitários que serão necessários para desenvolver esta função LPR O LPR é um protocolo de rede usado em muitos sistemas operacionais baseados em sistemas Unix para enviar trabalhos para as filas de impressão [51]. O nome LPR, que deriva do termo em inglês Line Printer Remote, se tornou muito utilizado para uma variedade de impressoras. Assim, este protocolo permite o gerenciamento de filas de impressão em rede, sendo utilizado para integrar sistemas de impressão Linux/Microsoft. O protocolo de rede LPR será útil neste projeto para fazer o compartilhamento da impressora USB na rede, tornando possível qualquer computador da rede, que tenha autorização, utilizar a impressora CUPS O CUPS, acrônimo de Common Unix Printing System, é um sistema de impressão para sistemas operacionais tipo Unix que torna possível que um computador ligado em rede atue como um servidor de impressão [29]. Um computador rodando o CUPS pode receber pedidos de impressão de computadores clientes, processando esses pedidos em encaminhando para a impressora apropriada. O CUPS é capaz de ser um spooler (armazenador de tarefas) de impressão, um escalonador, um filtro que converte a informação a ser impressa para um formato

21 14 que a impressora compreenda. Também, ele envia as informações para o dispositivo de impressão. No sistema embarcado, o CUPS servirá para fazer o gerenciamento dos trabalhos de impressão feitos pelos computadores ligados na rede Compartilhamento de Arquivos Outro objetivo a ser alcançado neste projeto é fazer o compartilhamento de arquivos na rede local. A intenção é fazer com que os arquivos gravados nos dispositivos de armazenamento que estejam ligados no sistema sejam disponibilizados para os computadores da rede. É necessário, portanto, utilizar um programa servidor para fazer toda comunicação necessária para o compartilhamento dos arquivos Samba O Samba é um software gratuito baseado no protocolo de comunicação de rede SMB/CIFS (Server Message Block / Common Internet File System) [54]. Este software proporciona serviços de compartilhamento de arquivos e impressoras em uma rede do tipo LAN baseada em servidores UNIX, como o GNU/Linux, Solaris, MacOS e outros. Além disso, o Samba é capaz de fazer o compartilhamento em rede com maioria dos sistemas da Microsoft. Desta maneira, este programa é capaz fazer trabalhar em rede integrando computadores com diversos sistemas operacionais. Então, a utilização do Samba para realizar o compartilhamento dos arquivos é fundamental para o projeto do sistema embarcado, pois com este programa será possível compartilhar os arquivos dos dispositivos de armazenamento com toda rede, com a vantagem fazer compartilhamento com a maioria dos sistemas operacionais existentes do mercado. Desta forma, o sistema embarcado com acesso sem-fio pode se tornar um servidor com muita versatilidade Servidor Web Outra função do sistema embarcado é funcionar como um Servidor Web (Web Server). Um Servidor Web, também chamado servidor http, pode ser referido como o computador ou o programa que torna possível disponibilizar conteúdo na Internet [43]. Muitas pessoas confundem um Web Server como sendo apenas o computador,

22 15 mas neste caso ele é um programa de computador que gerencia os pedidos de clientes (geralmente navegadores) feitos através do protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol). O uso mais comum dos Servidores Web é fazer a hospedagem de páginas na Internet, porém existem diversas outras aplicações. Os Servidores Web usam o protocolo FastCGI (Fast Common Gateway Interface) para fazer a comunicação com aplicativos externos. O protocolo FastCGI define como as informações são passadas entre o servidor Web e um aplicativo FastCGI externo, com o objetivo de otimizar a comunicação entre o Web Server e os programas CGI, permitindo ao servidor trabalhar com mais pedidos de uma vez. Então, para fazer o funcionamento da interface de configuração do sistema embarcado (interface web), será necessário fazer a escolha de um programa servidor web dentre os vários disponíveis httpd e BusyBox O BusyBox é um pacote de aplicativos UNIX que combina versões reduzidas de vários utilitários em um único arquivo executável, pelo fato de ser um arquivo binário multi-chamadas [46]. Hoje o BusyBox é vastamente utilizado em dispositivos com kernel Linux por sua flexibilidade e tamanho reduzido, podendo ser usado desde pontos de acesso, computadores mais simples e até mesmo celulares. O httpd é um programa de computador que funciona como servidor web, sendo seu nome é o acrônimo de Hypertext Transfer Protocol Deamon [49]. O termo Deamon é o acrônimo de Disk and Execution Monitor, e tem como função ser aplicativo que roda em background, ou seja, sem ser controlado diretamente pelo usuário, com o propósito de responder a requisições de rede, atividades de hardware, ou outros programas. Portanto, o httpd é um interpretador de requisições HTTP básico, que faz parte do BusyBox e foi desenvolvido para ter performance otimizada, alta segurança e utilizar recursos mínimos do sistema em que está funcionando. Então, o httpd é uma das possíveis soluções para fazer o servidor web funcionar no sistema embarcado.

23 Lighttpd Um programa alternativo para funcionar como Web Server é o Lighttpd. Este software é de código aberto (gratuito), sendo otimizado para ambientes onde a velocidade é mais importante, mas mantendo os padrões, segurança e flexibilidade [36]. Sendo assim, este programa utiliza pouca memória e possui melhor gerenciamento de CPU, se comparado às outras soluções. Além disso, o Lighttpd possui opções de alto nível como CGI, FastCGI, PHP (Hypertext Preprocessor), SSL(Secure Sockets Layer) e outras. Por isso, este programa é concorrente direto de servidores consagrados como o Apache, sendo às vezes mais eficiente e tornou-se muito popular. Sendo assim, o Lighttpd se torna umas das melhores soluções para ser o servidor web do sistema embarcado uhttpd O uhttpd (micro httpd) é um servidor HTTP muito pequeno, implementado em cerca de 150 linhas de código [1]. Por ser muito simples, este programa apresenta alguns problemas como baixo desempenho, poucos recursos e apresenta algumas vulnerabilidades. Entretanto, ele realiza todas as funções básicas de um HTTP Server e para páginas web com pouco tráfego ele se apresenta como uma solução razoável Gerenciadores de Transferência de arquivos A transferência de arquivos, ou do Inglês download, em redes de computadores envolve normalmente o acesso a sistemas de arquivos remotos, existindo protocolos específicos para fazer essa operação. Assim, programas de computadores específicos gerenciam as transferências de arquivos usando estes protocolos, sendo os mais utilizados: FTP, HTTP e BitTorrent. Para cada modo de transferência de arquivo existe uma infinidade de utilitários que fazem o gerenciamento e a troca dos arquivos. Para o projeto do sistema embarcado sem-fio, é fundamental ter programas que gerenciem o download dos arquivos para os protocolos mais comuns, para que o sistema seja flexível.

24 Ctorrent O BitTorrent é um protocolo de rede que permite ao usuário realizar download de arquivos [28]. Esse protocolo introduziu o conceito de partilhar o que já foi transferido, melhorando o desempenho. Na rede BitTorrent os arquivos são fracionados em pedaços em ordem aleatória, que podem ser reconstituídos para formar o arquivo final. O sistema aperfeiçoa o desempenho de rede, uma vez que todos partilham pedaços entre si, não sobrecarregando um servidor central. De tal modo que quanto mais utilizadores entram para descarregar um determinado arquivo, mais largura de banda se torna disponível. Estima-se que o protocolo BitTorrent tenha seja responsável por pelo menos 35% dos dados transferidos na Internet em todo o mundo. O CTorrent é um programa cliente para ambiente Linux da rede BitTorrent, sendo desenvolvido em linguagem C++ para consumir poucos recursos do computador ter alta performance [3]. Este cliente Torrent possui boa performance de download, boa regulagem do uso de banda e realiza decisões estratégicas sobre os pedidos de downloads. Entretanto, a sua interface com o usuário é difícil de usar e apresenta alguns erros Transmission O Transmission é outra opção de cliente da rede BitTorrent que tem suporte na distribuição OpenWRT [44]. Este cliente da rede BitTorrent é um software com licença livre e de código aberto. Este programa é leve e simples, com interface gráfica intuitiva e muito funcional. O Transmission roda em sistemas Linux, Mac OS, Solaris e FreeBSD. Além de realizar as funções básicas de um cliente Torrent, o Transmission tem a vantagem de ter suporte ao protocolo de criptografia, fazendo a transferência dos arquivos de modo ofuscado na rede, não sendo detectado pelos servidores, evitando o traffic shaping (controle de banda). Além disso, o Transmission faz uma interface web própria, podendo ser controlado remotamente.

25 wget O wget é um software livre que tem como função fazer a transferência de arquivos através da Internet, utilizando o protocolo TCP/IP [45]. O seu nome surge de world wide web e get. Este programa é um cliente que suporta os protocolos de transferência de arquivo HTTP e FTP, que são os mais utilizados na Internet. Sendo desenvolvido em linguagem C, o Wget funciona em qualquer sistema baseado em UNIX Pure-FTPd O FTP (File Transfer Protocol) é um protocolo de rede de computadores padrão, utilizado para enviar arquivos de um computador para outro em uma rede baseada em TCP/IP [33]. O protocolo FTP é construído na arquitetura cliente-servidor, utilizando as conexões de controle e de dados separadamente na comunicação. Além disso, o FTP pode fazer a autenticação de usuários. Apesar de inicialmente ter sido utilizado através de linha de comando existem clientes FTP que são feitos com interface gráfica. O programa Pure-FTPd é um servidor FTP gratuito muito pequeno e de fácil utilização. Ele foi desenvolvido para utilizar menos recursos do que outros servidores, sendo menor e ao mesmo tempo muito seguro [53]. O Pure-FTPd suporta os comandos e recursos mais usados do FTP, deixando de lado tudo que não é necessário ou inseguro. Este servidor funciona em uma grande variedade de sistemas operacionais baseados em UNIX, como Linux, OpenBSD, FreeBSD e outros Firewall Um Firewall, em português muro contra-fogo, é a parte de um computador ou rede que é desenvolvida para bloquear acessos não autorizados, comunicações autorizadas [32]. O Firewall é um dispositivo configurado para permitir ou negar transmissões de rede, baseado em uma lista de regras e outros critérios. Um sistema de Firewall pode ser feito em hardware ou software, ou a combinação de ambos, sendo freqüentemente utilizados para prevenir que usuários não autorizados acessem as redes privadas ligadas à Internet, principalmente as

26 19 Intranets. Existem diversas técnicas para fazer um Firewall, que podem ser feitas por filtro de pacotes IP, filtro de aplicações, filtro de protocolo de rede ou filtro de mensagens (Proxy) Iptables O Iptables é um aplicativo que permite o administrador do sistema configurar e controlar as tabelas do firewall do kernel Linux, suas categorias (chains) e regras que estão armazenadas [50]. É importante dizer que no GNU/Linux a filtragem de pacotes está desenvolvida diretamente no kernel. Elevados privilégios são necessários para operar o Iptables no Linux, sendo necessário o usuário root para funcionar. O Iptables é uma ferramenta de edição da tabela de filtragem de pacotes, ou seja, com ele pode analisar o cabeçalho (header) do pacote e tomar decisões sobre os seus destinos.

27 20 3. METODOLOGIA 3.1 Seleção do Hardware A escolha da plataforma de hardware para o desenvolvimento do sistema embarcado ocorreu levando em conta diversos fatores. Os principais fatores para fazer a opção, entre os mais diversos modelos de roteadores sem-fio comerciais e plataformas de desenvolvimento existentes no mercado, foram: 1. Compatibilidade da plataforma com as distribuições Linux; 2. Atendimento os requisitos mínimos de hardware; 3. Disponibilidade de compra do equipamento no mercado brasileiro. Após realizar pesquisas na Internet por modelos de roteadores sem-fio comerciais ou por plataformas de desenvolvimento, alguns modelos foram verificados com possibilidade de atender as demandas tanto de software quanto de hardware. Assim, os modelos que suportavam pelo menos uma distribuição Linux citada foram organizados na Tabela 1, que avalia as características de hardware, o preço e a disponibilidade no mercado nacional. A cotação do Dólar Americano (U$) utilizado para obter o total em Real Brasileiro (R$) foi de R$ 1,77 (um real e setenta e sete centavos) para cada Dólar Americano. Tabela 1: Tabela para escolha do hardware para o projeto. Plataforma Arquitetura Freqüência Memória (MB) ASUS WL-500GP TP-LINK TL- WR1043ND Ubiquiti RouterStation Ubiquiti RouterStation PRO MIPS MIPS MIPS MIPS 266 MHz 400 MHz 680 MHz 680 MHz Beagle Board ARM 620 MHz Beagle Board XM ARM 1 GHz 08 Flash 32 RAM 08 Flash 32 RAM 16 Flash 64 RAM 16 Flash 128 RAM 128 RAM 256 Flash 0 Flash 512 RAM Acessórios 2 USB; Mini PCI; 5 Ethernet; a/b/g 1 USB; 5 Gigabit ; b/g/n 1 USB; 3 Mini PCI; 1 Ethernet 1 USB; 3 Mini PCI; 4 Gigabit; SD Card DB9 (Serial); HDMI; S-Vídeo; Audio; USB; PowerVR; DB9 HDMI; SD/MMC; S-Vídeo; Audio; DB9; USB. Requisitos SD Card; SD Card Fonte; Rádio MiniPCI; SD Card; Fonte; Rádio Mini PCI. Rádio USB Rádio USB Preço (U$) $ 65,00 $ - $ - $ - $ 149,00 $ 179,00 FRETE (U$) $ 40,00 $ - $ - $ - $ 30,00 $ 30,00 IMPOSTO (U$) $ 80,00 $ - $ - $ - $ 80,00 $ 80,00 Total R$ 297,36 R$ * Compra direto no 210,00 Brasil R$ 215,00 * Compra direto no Brasil R$ 230,00 * Compra direto no Brasil R$ 506,93 R$ 591,89

28 21 O fator disponibilidade de compra do equipamento no Brasil foi muito importante na escolha do equipamento. Isso ocorre porque quando é necessário fazer a importação o preço final aumenta muito devido à carga tributária (Imposto de Importação) que incide neste tipo de transação e o frete para o Brasil. Além disso, o tempo necessário para o equipamento chegar também conta bastante. Os modelos Beagle Board, Beagle Board XM, Asus WL-500GP ficaram caros devido a não disponibilidade dos produtos no Brasil. Além do mais, o modelo da marca Asus não atendia totalmente aos requisitos de hardware do projeto por ter 8 MB de memória flash e 266 MHz de freqüência de processamento. Dentre os modelos disponíveis no mercado nacional, RouterStation, RouterStation PRO e o TP-LINK TL-WR1043ND, verificamos que o modelo da marca TP- LINK não atendia ao requisito de quantidade de memória flash, contando com 8 Mega Bytes. Também, este modelo não possui interface de comunicação Serial pronta (DB9) e SD Card. Portanto, a escolha ficou entre os modelos da plataforma de desenvolvimento RouterStation. Comparando os dois modelos da Ubiquiti, verifica-se que o os dois modelos tem o mesmo processador MIPS de 680 MHz e contam com a mesma quantidade de memória flash. Também, os dois modelos contam com uma porta USB, três slots Mini PCI e necessitam de um rádio compatível com IEEE Mini PCI. Os diferenciais do RouterStation PRO são o fato de ter 128 MB de memória RAM, 4 portas Gigabit Ethernet (1000 Mbps), SDIO e conector para interface Serial DB9. Levando em conta as características de hardware citadas e a pequena diferença de preço entre os modelos da Ubiquiti, foi escolhido para fazer o desenvolvimento do projeto o modelo Ubiquiti RouterStation PRO Ubiquiti RouterStation PRO A seguir é feita uma descrição mais aprofundada do hardware da plataforma de desenvolvimento selecionada para o projeto do sistema multifuncional embarcado. As especificações técnicas do RouterStation PRO estão listadas, conforme segue: Compatível com IEEE 802.3af 48V (POE - Power Over Ethernet); 4 Portas Gigabit Ethernet (Switch);

29 MB DDR RAM; 16 MB Flash SPI; 1 Porta USB 2.0; Cartão de memória SD (SD Card) J6 SDIO; CPU MIPS 24Kc 680 MHz, com opção para overclock à 800 MHz; Proteção ESD (electrostatic - discharge) para aplicações industriais; 3 Slots (conexões) Mini PCI tipo IIIA; Conector DB9/RS232 integrado; Acesso fácil a todos os sinais GPIO; Conector (Power Jack) 48V DC integrado (J502); Vem de fábrica com OpenWRT Kamikaze; Faixa de tensão de alimentação: 40V à 56V DC; o Utilizar níveis de tensão altos é recomendável, já que utilizará menos corrente; o A potência típica consumida é de 3W com o sistema parado e sem rádios , 5W com um rádio e 7W com tráfego de 1000 Mbps sendo processado; o O conector RJ45 J1 é para a WAN e compatível com o IEEE 802.3af (Power Over Ethernet); o Suporta até 25W de potência pelo POE. A figura 1 apresenta a imagem da visão superior da RouterStation PRO, onde pode-se observar alguns conectores característicos como o DB9/RS-232, USB, conector de alimentação (Power Jack), as portas Ethernet e dois slots Mini PCI.

30 23 Figura 1: Visão superior da Ubiquiti RouterStation PRO Já a figura 2 apresenta a imagem da visão inferior (parte de baixo) da RouterStation PRO, onde pode-se observar alguns conectores característicos como o DB9/RS-232, SDIO e um slot Mini PCI. Também se observa os chips de memória, processador e demais controladores do sistema. Figura 2: Visão inferior (de parte de baixo) da Ubiquiti RouterStation PRO. Na figura três está apresentada a imagem da visão do painel frontal da RouterStation PRO, em que verificam-se os conectores externos do dispositivo, sendo eles da esquerda para a direita: 4 portas Gigabit Ethernet, SDIO, Power Jack, USB 2.0 e RS232/DB9.

31 24 Figura 3: Visão do painel frontal da Ubiquiti RouterStation PRO. 3.2 Seleção da Distribuição Linux Feita a escolha do hardware para o desenvolvimento do projeto, verificou-se que o modelo Ubiquiti RouterStation PRO não é compatível com a distribuição Linux Tomato. Como visto anteriormente, o firmware Tomato suporta apenas sistemas com processadores Broadcom, e o RouterStation PRO utiliza o processador da marca Atheros. Além disso, o Tomato não suporta armazenamento pela interface USB e não tem uma variedade de pacotes de software para realizar o objetivo deste projeto. Assim, restaram as distribuições OpenWRT e DD-WRT, que são compatíveis com a plataforma de desenvolvimento estabelecida. Vale ressaltar aqui que o firmware DD-WRT é baseado no kernel do OpenWRT. Então, na verdade, o DD-WRT é uma versão do OpenWRT com algumas melhorias, principalmente de interface gráfica, para se tornar comercial. Desta forma, a distribuição DD-WRT acabou tendo um desenvolvimento mais limitado, não tendo atualizações tão freqüentes se comparado ao OpenWRT, devido a menor comunidade de desenvolvedores. A comunidade de desenvolvedores do OpenWRT é maior e tem mais documentação disponível na Internet a respeito do seu desenvolvimento em relação à outra distribuição. Também, por ser de código totalmente aberto, pode-se dizer que o OpenWRT é mais personalizável. Levando em consideração os argumentos citados acima, a distribuição Linux escolhida para ser utilizada no hardware do sistema embarcado de acesso sem-fio foi a OpenWRT na sua versão mais recente, denominada OpenWRT Backfire. 3.3 Funcionamento do sistema O RouterStation PRO será alimentado através da rede elétrica (127/220V AC). Um injetor POE, que converte a energia da rede elétrica para a tensão de 48V DC, enviará a energia para o dispositivo através da interface WAN, utilizando Power Over

32 25 Ethernet. Também, através da interface WAN o sistema embarcado estará ligado a uma rede externa, como por exemplo, a Internet. A comunicação pela interface serial funcionará utilizando um cabo DB9 fêmea-fêmea que é ligado no conector DB9 do RouterStation PRO e no DB9 do computador com suporte a esta interface. Se o computador não possuir a porta serial, alternativamente, pode-se utilizando um conversor RS232 USB. Na interface SDIO o cartão de memória SD é ligado diretamente no slot. Já na interface Mini PCI, é ligada placa com o Rádio com suporte ao IEEE que se comunicará com qualquer computador ou dispositivo móvel que tenham esta interface. Através da interface LAN, também poderão ser ligados outros computadores com suporte à Rede padrão Ethernet ou outros dispositivos de rede como Hubs e Switches. Pela porta USB, estarão ligados outros periféricos como Pen Drives, HD externo, Impressora e Webcam. Para ligar todos estes dispositivos em uma única porta, será utilizado um Hub USB, que é um concentrador que tem a função expandir o número de portas USB. A figura 4 mostra um diagrama de ligação das interfaces de comunicação do RouterStation PRO. Figura 4: Diagrama de ligação do RouterStation PRO

33 26 Desta maneira, verifica-se que para fazer o funcionamento do dispositivo são necessários mais equipamentos, além do próprio RouterStation PRO. Abaixo, estão listados os equipamentos necessários para funcionar o sistema. Ubiquiti RouterStation PRO Injetor POE Hub USB 2.0 Rádio Mini PCI a/b/g/n Cabo serial Fêmea-Fêmea e/ou conversor RS232-USB Pen Drive ou HD Externo (USB) Webcam Impressora Cabos par trançado (Patch Cable EIA 568A-B) com conectores Cartão SD 3.4 Software OpenWRT A instalação do OpenWRT pode ser dividia em duas etapas, a primeira para obtenção da imagem e a segunda para a sua instalação no equipamento. A obtenção da imagem apresenta três possibilidades: a obtenção de uma imagem padrão já compilada em formato binário para o seu equipamento alvo, o uso de um ambiente minimalista pré-compilado ou, então, a possibilidade de compilar a imagem a partir do código fonte. Cada opção apresenta níveis diferentes de customização que permitem adequar e reduzir o tamanho da imagem conforme a sua necessidade. A opção escolhida foi a de utilizar uma imagem já compilada para a RouterStation PRO, pois permitiria uma maior segurança quanto ao funcionamento na mesma, uma vez que esta imagem já esta aprovada pelo projeto OpenWRT. Também, até este momento não eram de conhecimento todos os módulos necessários para o desenvolvimento do sistema.

34 27 Desta maneira, foi efetuada a transferência do arquivo de imagem referente ao modelo em uso na página da distribuição na Internet. Uma vez de posse da imagem correta pode-se proceder para a etapa de transferência da imagem para o equipamento. Para isto, foi colocado o equipamento em modo de atualização, reiniciando o aparelho com o botão Reset até que o LED RF permaneça aceso. Desta maneira, foi possível enviar a imagem a ele utilizando o TFTP pela interface LAN. Após alguns minutos os LEDs se estabilizam indicando fim do processo e depois de reiniciado o aparelho, a instalação esta pronta para uso. Para fazer a instalação dos programas necessários, foi utilizada a ferramenta de gerenciamento de pacotes (espaço do usuário) e módulos (kernel) chamado opkg. Este aplicativo é utilizado em linha de comando, através do seguinte formato: # opkg [opção] [nome do pacote] As opções de comando podem ser para instalar (install), remover (remove), atualizar a lista de pacotes disponíveis (update), atualizar um pacote específico (upgrade), listar os pacotes disponíveis (list) e os já instalados (list-installed). Por exemplo, para instalar o pacote cups e listar os pacotes instalados no sistema, os seguintes comandos podem ser utilizados: # opkg install cups # opkg list-installed Vale ressaltar que quando se utiliza o opkg para instalar um pacote ou módulo, ele obtém os dados para instalação da Internet através de um sistema de repositório. Após obter as informações, o opkg instala o modulo (ou pacote) e o configura no modo padrão. Dependendo do aplicativo que foi instalado o opkg já o deixa habilitado por padrão, ou seja, inicia o serviço na inicialização do sistema Rede Ethernet As interfaces de rede foram detectadas automaticamente pelo kernel e, por meio do aplicativo ifconfig foi possível verificar quais estão disponíveis. A configuração das interfaces foi realizada através do arquivo /etc/config/network. Nele são fornecidos os parâmetros de identificação da interface, o nome a ser atribuído a ela, o

35 28 esquema de endereçamento e suas variáveis, como por exemplo, se a mesma utiliza DHCP ou então possui uma atribuição estática com valores de IP, gateway, mascara de rede e DNS pré-definidos. Abaixo um exemplo de configuração estática ilustrativa para a interface externa com seus devidos parâmetros. VLANs e pontes. config 'interface' 'wan' option 'ifname' 'eth0' option 'proto' 'static' option 'netmask' ' ' option 'ipaddr' ' ' option 'gateway' ' ' option 'dns' ' ' Exemplo de configuração de interface e suas variáveis. Neste local também é possível expressar como elas se relacionam, definindo Uma vez realizada a configuração, as mudanças são realizadas reiniciando a interface através dos comandos ifdown e ifup ou, então, com o próprio ifconfig. Caso seja optada por uma atribuição dinâmica (DHCP) a solicitação de endereço é automaticamente feita ao reiniciar a interface, mas pode ser realizada manualmente com o comando dhclient Rede Sem-Fio IEEE As interfaces sem fio diferem das interfaces ethernet pelo fato de serem configuradas em um arquivo aparte. Caso sejam detectadas pelo comando ifconfig, no arquivo /etc/config/wireless é possível configurá-las juntamente com seus dispositivos e definir todos os parâmetros necessários de rede e radio como modo, SSID, criptografia, chaves, canais. Abaixo um exemplo de configuração para um dispositivo em modo g / n e uma rede, que no caso esta em ponte com a interface LAN. config 'wifi-device' 'radio0' option 'type' 'mac80211' option 'channel' '10' option 'macaddr' '00:0c:42:64:a8:82' option 'hwmode' '11ng' option 'htmode' 'HT20' option 'disabled' '0' config 'wifi-iface' option 'device' 'radio0' option 'network' 'lan'

36 29 option 'mode' 'ap' option 'ssid' option 'key' 'routerstation' option 'encryption' 'psk2' Firewall Baseado em iptables o mesmo possui suas regras carregadas inicialmente através de um script carregado na inicialização localizado em /etc/firewall.user. As Alterações podem ser feitas por meio da interface gráfica, que permite ao usuário definir politicas de acesso a outros usuários ou conteúdos, incluindo redirecionamento de portas. Nele também é realizado o compartilhamento da conexão através da função mascaramento que pode ser expressa por: /sbin/iptables -t nat -I POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE Servidor Web Uma vez que foi feita a opção pelo servidor Lighttpd devido a sua boa flexibilidade e, também, pelo fato de permitir o uso do PHP em modo FastCGI, realizase a sua configuração da seguinte maneira. Instala-se o pacote lighttpd através do gerenciador opkg. A configuração do servidor é feita no arquivo /etc/lighttpd/lighttpd.conf, onde pode-se definir a porta em operação, o diretório de documentos bem como a configuração dos módulos, inclusive do FastCGI e hospedeiros virtuais (vhosts). É neste arquivo em que são concatenadas as configurações de páginas adicionais inseridas pelo usuário através da interface gráfica. $HTTP["host"] =~ "(^ \.)nixcraft\.com$" { server.document-root = "/home/lighttpd/nixcraft.com/http" server.errorlog = "/var/log/lighttpd/nixcraft/error.log" accesslog.filename = "/var/log/lighttpd/nixcraft/access.log" server.error-handler-404 = "/e404.php" } Exemplo de Vhost adicionado Servidor FTP Para fazer o suporte à transferência de arquivos pelo protocolo FTP é necessário instalar um servidor, sendo assim, foi instalado o aplicativo Pure-FTPd. Para

37 30 fazer a sua instalação foi utilizando o gerenciador de pacotes opkg, através do pacote de pure-ftpd. Instalado o Pure-FTPd, a sua configuração pode ser feita através do arquivo de configurações localizado em /etc/config/pure-ftpd. Neste arquivo podem ser configurados parâmetros como a porta de funcionamento do serviço, fazer a habilitação do servidor, senha, nome de usuário e outros. Um exemplo genérico de configuração de ser vista a seguir: config pure-ftpd option port '21' option noanonymous '1' option chrooteveryone '1' option maxclientsperip '10' option maxclientsnumber '4' option peruserlimits '3:4' option umask '133:022' option authentication 'unix' option enabled '1' Suporte a USB O suporte ao barramento USB é realizado por diferentes módulos conforme a implementação da interface do controlador (HCI). São eles: kmod-usb-core - Comum a todas as implementações. kmod-usb-ohci - Compaq's Open Host Controller Interface. - USB1.0 / USB1.1 kmod-usb-uhci - Intel's Universal Host Controller Interface. - USB1.0 / USB1.1 kmod-usb2 - Extended Host Controller Interface - EHCI - USB2.0 Ambos podem ser instalados utilizando opkg conforme a necessidade dos dispositivos a serem utilizados. Tal desmembramento surge pelo fato do desenvolvimento de dois modelos para o controlador USB nas versões 1.0 e 1.1. Um é proprietário oriundo da parceria entre Intel e Via, visando um hardware mais simples porem com um driver mais robusto chamado UHCI. O outro chamado OHCI, apoiado pela Compaq, Microsoft e National Semicondutores, visa repassar maior parte do esforço para o controlador em si, e não para a CPU através do driver. Tal divergência de modelos foi unificada com o padrão EHCI para o padrão USB 2.0 e continua atualmente para o padrão USB 3.0 com o modelo XHCI. Por ser experimental não esta disponível em repositórios para opkg o

38 31 modulo de suporte ao novo modelo, porem caso seja necessário, o suporte ainda experimental a XHCI é disponível por meio da compilação das fontes do kernel ou superiores disponível no sitio da distribuição. Para averiguar o correto funcionamento foram utilizadas as ferramentas lsusb para listar os dispositivos e dmesg para analisar as ocorrências Armazenamento A instalação do suporte a mídia removível é realizada com o auxilio do módulo kmod-usb-storage, responsável pelo USB mass storage device class, (USB MSC ou UMS) conjunto de protocolos estipulados pelo USB Implementers Forum (USB IF) para transferência de arquivos. Em geral, os dispositivos de armazenamento utilizam sistemas de arquivos diferentes do utilizado pela partição do sistema da RouterStation PRO (SquashFS ou JFFS2). Sendo assim, deve-se instalar o suporte aos sistemas de arquivos mais populares, como o VFAT (kmod-fs-vfat), NTFS (kmod-fsntfs), e EXT3 (kmod-fs-ext3). Um detalhe importante foi eliminar os possíveis erros que poderiam impedir o acesso aos dispositivos e arquivos devido a utilização de caracteres de línguas estrangeiras por meio da instalação do suporte geral (kmod-nls-base), de caracteres americanos (kmod-nls-cp437), europeus (kmod-nls-cp850) e um conjunto latino (kmod-nls-iso8859-1). A montagem dos dispositivos foi baseada na execução de montagem e desmontagem do dispositivo pelo usuário a partir da interface gráfica. O comando que faz a desmontagem do dispositivo conectado é o umount, enquanto o comando que faz a montagem é o mount. Esta operação é realizada automaticamente na inicialização devido a prévia inclusão dos comandos citados em um script de inicialização disponível em /etc/init.d/fstab Câmera Uma vez com o barramento USB operacional, o suporte a câmera é feito através do módulo kmod-video-uvc, responsável pela implementação da USB video device class (UVC). O UVC define padrões de leitura para dispositivos de vídeo e

39 32 permite que dispositivos de diferentes fabricantes com o mesmo identificador possam ser utilizados da mesma forma, agindo de forma similar a um driver genérico. A maioria das Webcams, atualmente, apresentam-se compatíveis com UVC não só pela facilidade de uso, uma vez que não dependem de driver especifico, mas também por ser um requisito para a obtenção de logos de compatibilidade como exemplo para Windows Vista e 7. A aplicação escolhida para a captura de imagem é o mjpg-streamer, que esta disponível no opkg e tem como principais vantagens o seu tamanho reduzido, bytes, a possibilidade de salvar as imagens ou então transmiti-las pela internet. Além disso, o mjpg-streamer tem bom desempenho, não consumindo excessivamente CPU BitTorrent Configuradas as interfaces de rede, já podem instalados e configurados os aplicativos de transferência de arquivos. Para fazer a troca de arquivos com a rede BitTorrent foi escolhido o aplicativo Transmission. Para instalá-lo foi utilizado o repositório de arquivos opkg, sendo instalados os pacotes transmission-daemon e transmission-web. O transmission-daemon é o pacote do aplicativo básico, enquanto que o transmission-web adiciona o suporte à interface gráfica via navegador da Internet. O arquivo de configuração deste programa fica em /etc/config/transmission. Neste arquivo, entre outros parâmetros, pode-se alterar os parâmetros de limites de velocidade de recebimento e envio de arquivos, ativar criptografia, alterar o local onde os arquivos serão gravados, número máximo de conexões e outros. Para interagir com o Transmission, existe a interface via navegador de Internet. Pode-se acessar esta interface colocando no número de IP do computador onde ele está instalado, seguido da porta número 9091, por exemplo, :9091. Nesta interface gráfica, pode ser feita algumas configurações de parâmetros e fazer a descarga dos arquivos, selecionando um arquivo de extensão.torrent do computador ou colocando a URL (endereço) do arquivo na internet.

40 Samba O compartilhamento de arquivos, assim como as demais funções, pode ser desenvolvido no sistema através de pacotes, neste caso o samba3. Após ser instalado utilizando o opkg, o sistema oferece duas opções de configuração. A primeira é o arquivo /etc/config/samba que utiliza a notação padrão da Unified Configuration Interface (UCI), um sistema de configuração que visa substituir uma série de shell scripts independentes por um conjunto bem definido de parâmetros organizados de forma hierárquica. Já a segunda é o tradicional arquivo de configuração do samba em /etc/samba/smb.conf. Neles devem ser indicados os parâmetros como o grupo de trabalho, as definições dos compartilhamentos e o sistema de impressão caso seja utilizado. [HP3745] comment = HP Deskjet 3745 printable = yes path = /var/spool/cups public= yes guest ok= yes printer admin= root exemplo de compartilhamento de impressora no smb.conf config sambashare option 'name' 'pendrive' option 'path' '/mnt/pendrive' option 'read_only' 'no' option 'guest_ok' 'yes' option 'browseable' 'yes' exemplo de compartilhamento de diretorio no /etc/conf/samba Impressão Para o sistema de impressão ser reconhecido é necessário um módulo chamado kmod-usb-printer, que é responsável por adicionar suporte a impressoras USB no kernel. Uma vez instalado, foram utilizadas duas abordagens para o gerenciamento de impressões. A primeira, mais simples, é baseada em um daemon de impressão sem fila com base no protocolo AppSocket, cuja função é repassar qualquer dado recebido em sua porta de escuta para a porta de impressora correspondente. Esta solução pode ser facilmente implementada através da instalação do pacote p910nd. Assim, para a sua

41 34 configuração é necessário apenas do endereço da impressora no arquivo /etc/config/p910nd sob o item option device. Já a segunda opção é utilizar o sistema CUPS, que é padrão em ambiente Linux, que permite o uso de fila e também funciona como servidor de impressão. Para sua instalação é utilizado o pacote cups e a configuração arquivo /etc/cups/cupsd.conf, onde podemos definir as permissões. No arquivo localizado no caminho /etc/cups/printers.conf são adicionadas as impressoras em si, através da criação de uma seção do tipo printer e o parâmetro device-uri associado a ela. Para utilizar as impressoras em máquinas clientes, pode-se simplesmente instalar os dispositivos de impressão como impressoras locais, e após fornecer o modelo e driver, endereçar para porta TCP/IP padrão número 9100 para o caso do p910nd, ou então para o CUPS a porta da Internet número 631 com a respectiva URL da impressora GPIO Optou-se por fazer o uso do GPIO no espaço do usuário, o que torna sua utilização mais prática, ao custo de uma maior limitação da freqüência de operação, fato perfeitamente aceitável dada a aplicação. Para isto, foi utilizada a interface GPIO SYSFS, cuja função é exportar um GPIO pré-definido, e não utilizado pelos drivers do kernel para o sistema de arquivos, disponibilizando o mesmo no diretório /sys/class/gpio. O endereçamento dos pinos na RouterStation PRO é iniciado em 0 e estão disponíveis para uso genérico das linhas de GPIO 0 a 7, exceto GPIO 2, que é utilizada pelo sistema para o LED RF. Para fazer a utilização desta porta é simples. Quando o sistema é inicializado todos os pinos estão em posse do kernel, não sendo exibidos no sysfs. Para liberá-los é necessário indicar o pino no pseudo-arquivo export. Isto irá resultar na criação do pseudo-arquivo para o pino sob o diretório /sys/class/gpio/gpion, onde N é o numero do pino. Em seguida define-se a direção, saída ou entrada, e valor, alto ou baixo. Pullups e Pull-downs são definidos através de jumpers físicos paralelos a porta.

42 35 Terminando seu uso é possível liberar o pino novamente ao kernel com a função unexport, fazendo que suas referências em /sys/class/gpio sejam removidas. $ echo 9 > /sys/class/gpio/export $ echo out > /sys/class/gpio/gpio16/direction $ echo 1 > /sys/class/gpio/gpio16/value $ echo 9 > /sys/class/gpio/unexport Exemplo de uso do pino gpio Interface Gráfica Para fazer a interface de controle do sistema embarcado, optamos por elaborar uma interface web, tendo como principal vantagem o fato de ser acessível de qualquer dispositivo com navegador, seja ele computador, celular, televisor e outros. Sua estrutura visual segue o modelo de roteadores para uso em pequenos escritórios e residências (SOHO), atualmente comercializados. A estruturação lógica consiste na divisão de partes do layout em diferentes arquivos escritos em linguagem PHP, com um arquivo central representando a página solicitada e fazendo a inclusão dos módulos referentes ao item solicitado, bem como seus estilos pré-definidos. template_config_wan.php - inclui: template_2_estilos_locais.php -inclui: imgs/estilos.css - inclui: template_4_menu_superior.php - inclui: template_5_menu_lateral_config.php - < corpo da seção configuração wan > - inclui: template_6_barra_dir.php - inclui: template_7_footer.php Exemplo de estruturação dos arquivos Pelo fato do PHP ser uma linguagem interpretada no servidor, é possível se construir páginas dinâmicas que expressam o estado das configurações atuais do sistema embarcado, através de saídas HTML. Isto possibilita que as alterações feitas pelo usuário sejam postadas novamente na página PHP, que as valida e repassa ao sistema por meio de comandos em shell através das funções php_exec e shell_exec. A parte dinâmica executada pelo cliente fica a cargo de scripts Java, e já que são característicos de cada página não podem ser centralizados em um único arquivo para serem inclusos.

43 36 4. RESULTADOS A instalação do sistema operacional OpenWRT Backfire ocorreu normalmente. Na figura 5, visualiza-se a interface via terminal do sistema, com a primeira de apresentação após a instalação, através do SSH. Figura 5: Tela de apresentação inicial do terminal SSH do OpenWRT. Após a configuração das interfaces de rede do sistema, verificou-se o funcionamento da conexão com Internet e do dispositivo em rede sem-fio. Todas essas interfaces funcionaram dentro das expectativas. Na figura 6, visualiza-se uma tela com a rede sem-fio conectada em um computador com o sistema operacional Microsoft Windows 7. Nesta imagem, podem ser notados os parâmetros da rede sem-fio, como: SSID, Tipo de Rádio, Criptografia de segurança e nível de sinal. Figura 6: Tela com parâmetros da conexão de rede sem-fio estabelecida.

44 37 Configurada a rede, foi feita a instalação do servidor FTP, que funcionou sem maiores dificuldades. Na figura 7 pode-se visualizar uma conexão via terminal SSH ao servidor FTP da RouterStation Pro, que está disponível pelo IP Figura 7: Conexão ao Servidor FTP. A configuração da interface USB foi um sucesso, com os dispositivos funcionando corretamente. Na figura 7, pode ser percebido o funcionamento da interface com um dispositivo de memória Flash com capacidade de 3,8 GB conectado no sistema em /dev/sdb1 e montado em /mnt/pendrive. Figura 8: Dispositivo de armazenamento. A transferência de arquivos via protocolo BitTorrent funcionou adequadamente utilizando o aplicativo Transmission. A figura 7 mostra uma tela com a interface gráfica em um navegador da Internet, recebendo um arquivo de outros computadores da rede BitTorrent.

45 38 Figura 9: Interface Gráfica do Transmission. O funcionamento do compartilhamento de arquivos na rede através do Samba ocorreu dentro das expectativas, sendo compartilhado na rede o dispositivo de armazenamento USB e a impressora. A figura 10 mostra um computador acessando os compartilhamentos disponíveis no OpenWRT, através do sistema operacional Windows 7. Figura 10: Compartilhamento com o Samba visto em um PC com Windows 7. A câmera ligada na interface USB funcionou utilizando o aplicativo mjpgstreamer. A figura 9 mostra uma imagem capturada do dispositivo com a resolução de 640x480.

46 39 Figura 11: Imagem capturada da Câmera Ligada a interface USB. As duas soluções para os serviços de impressão trouxeram resultados. A solução pelo aplicativo pn910nd se apresentou funcional, com a desvantagem de não funcionar como spool (fila) de impressão. Entretanto, a alternativa utilizando o CUPS apresentou melhores resultados, com a vantagem do spool e gerenciamento da fila de impressão. A imagem da figura 12 mostra uma tela capturada em um computador com o sistema operacional Windows 7 detectando a impressora ligada na rede, via CUPS no endereço Figura 12: Imagem capturada com a impressora disponível para impressão na rede. A interface do sistema via navegador web foi desenvolvida para o controle e visualização dos seguintes itens: Rede: WAN, LAN, WLAN, Storage, Web-Server, Samba, Torrent, Camera e Firewall. Media: Camera e Torrent Tools: Terminal, Iptables e Boot

47 40 Status: Network Rules, Interfaces e System Summary Os arquivos da página estão localizados no caminho /www. A imagem da figura 13 mostra a página inicial da interface via navegador de Internet do sistema embarcado. Figura 13: Página inicial da interface via navegador de Internet do sistema embarcado

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