Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術(shù)研究及實現(xiàn)

  摘要：針對衛(wèi)星和各種空間飛行器上儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力的需求將成倍的增長，采用速率達(dá)400 Mb/s的IEEE1394高速串行總線，將成為未來星載高速總線的首選。研究了IEEE1394技術(shù)及NAT技術(shù)，并組建樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基于IEEE1394連接的Linux環(huán)境下的高速局域網(wǎng)，同時局域網(wǎng)中的節(jié)點可以訪問外網(wǎng)。實驗結(jié)果驗證1394組網(wǎng)技術(shù)。

　　IEEE 1394，又稱火線(FireWire)接口，是一種高速度傳送接口，適用于主板的標(biāo)準(zhǔn)工作速率為12．5、25或50 Mb／s，適用于外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)所支持的數(shù)據(jù)率為100、200和400 Mb／s。

　　IEEE1394具備高速率寬帶；實時性等時傳輸；采用細(xì)纜便于安裝；采用總線結(jié)構(gòu)；支持熱插拔等特點。因此，基予IEEE1394的特點，這里提出一種Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計方案。

　　1 IEEE1394簡介

　　對于多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭蟠呱薎EEE1394(以下簡稱1394)的發(fā)展。多媒體數(shù)據(jù)傳輸要具有實時性。單純圖形傳輸或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用一般對實時性要求并不高。例如在Internet上瀏覽主頁，雖有延遲，但一般尚可接受。如果網(wǎng)絡(luò)會議就要求具有實時性。其次是連接的方便性、通用性，并且成本較低，這樣接口連接更簡便，應(yīng)用更廣泛。

　　1394可應(yīng)用于家庭網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)以及Internet中的各種遠(yuǎn)程系統(tǒng)，具有相同功能的1394產(chǎn)品要比普通的微機(jī)配套設(shè)備便宜，具有更好的可擴(kuò)展性。所有這些都使1394產(chǎn)品獲得了強(qiáng)勁無比的競爭力。

　　1394具有如下特點：

　　1)高速率：IEEE1394-1995中規(guī)定速率為100～400 Mb／s。IEEE1394b的更高速度是800 Mb／s～3．2 Gb／s。其實400Mb／s就可以滿足所有要求?，F(xiàn)在通?？赡苓_(dá)到的物理流LSI速度是200Mb／s。另外，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般都要經(jīng)過壓縮處理，并不是直接傳輸原始視頻數(shù)據(jù)。因此200Mb／s能夠滿足實際需要。但對多路數(shù)字視頻信號傳輸來說，傳輸速率總是越高越好。

　　2)實時性：1394的特點是利用等時性傳輸來保證實時性，因此，SSA，F(xiàn)iber Channel及Ultra SCSI也都與IEEE1394具有同樣的性能。

　　3)采用細(xì)纜，便于安裝：4根信號線與2根電源線構(gòu)成的細(xì)纜使安裝簡單，而且價格便宜。但接點間距只有4．5 m。似乎略顯不足。而采用延伸接點間距的方法，POF可以將接點間距延長至70m。

　　4)總線結(jié)構(gòu)：1394是總線，不是I／O。向各裝置傳送數(shù)據(jù)時，是按IEEE1212標(biāo)準(zhǔn)讀寫列入轉(zhuǎn)換的空間?？傊瑥纳弦粚涌?，1394是與PCI總線相同。

　　1394總線和常見的USB總線的不同之處在于：1394是一個對等的總線。就是說。任何一個總線上的設(shè)備都可主動發(fā)出請求。而USB總線上的設(shè)備則是等待主機(jī)發(fā)送請求，然后做相應(yīng)的動作。因而1394設(shè)備更智能化，因此1394就復(fù)雜一些，成本高一些。這個特性決定了1394可以是脫離以桌面主機(jī)為中心的束縛。

　　1394總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與USB相同，都是樹形結(jié)構(gòu)。但I(xiàn)EEE1394b提出了一個避免環(huán)狀結(jié)構(gòu)的方法，即使設(shè)備連接形成一個圓環(huán)時，也能保證正常工作。1394串行總線與PCI并行總線不一樣，前者的兩個設(shè)備之間如果必須經(jīng)過第三個設(shè)備，那么數(shù)據(jù)必須從第三個設(shè)備穿過。而后者則可直接在兩個設(shè)備間傳輸，不用經(jīng)過第三個設(shè)備。

　　1394總線上的設(shè)備之間也會選舉一些設(shè)備成為總線管理，做些額外的工作，如：①根節(jié)點主要是在總線仲裁中做最終的裁判。②同步資源管理器：主要是在同步傳輸中，管理帶寬，或者提供總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和有限的電源管理。③總線管理器可以設(shè)置根節(jié)點，提供總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間，和更高級的電源管理。

　　5)熱插拔  能帶電插拔。增刪新裝置，不必關(guān)閉電源，操作非常簡單。

　　6)即插即用  增加新裝置不必設(shè)定ID，可自動予以分配。1394的使用者不需要任何相關(guān)知識，操作非常簡單，接上即用。實際上，當(dāng)有新的設(shè)備接入某個1394端口時，整個總線將會進(jìn)行一次總線復(fù)位(bus reset)。所有設(shè)備重新給自己起名字(節(jié)點標(biāo)識，Node ID)。1394的起名字的機(jī)制很簡單，從0開始往上，最多到62。一般葉子節(jié)點的ID小，樹根的ID最大。1394的總線復(fù)位時間：短的只要1 μs，長的要160μs。

　　2 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT原理

　　網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT(Network Address Translation)廣泛應(yīng)用于各種類型Internet接入方式和各種類型的網(wǎng)絡(luò)中。NAT不僅完美地解決了lP地址不足的問題，而且還能夠有效避免來自網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊，隱藏并保護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計算機(jī)。

　　借助于NAT，私有(保留)地址的“內(nèi)部”網(wǎng)絡(luò)通過路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包，私有地址被轉(zhuǎn)換成合法的IP地址，一個局域網(wǎng)只需使用少量外部IP地址即可實現(xiàn)私有地址網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機(jī)與Intemet的通信需求。NAT將自動修改IP報文頭的源IP地址和目的IP地址，IP地址校驗則在NAT處理過程中自動完成。有些應(yīng)用程序?qū)⒃碔P地址嵌入到IP報文的數(shù)據(jù)部分中，所以還需要同時對報文進(jìn)行修改，以匹配IP頭中已經(jīng)修改過的源IP地址。否則，在報文數(shù)據(jù)都分別嵌入IP地址的應(yīng)用程序就不能正常工作。

　　NAT的實現(xiàn)方式有3種，即靜態(tài)轉(zhuǎn)換(Slatic NAT)、動態(tài)轉(zhuǎn)換(Dynamic NAT)和端口多路復(fù)用(OverLoad)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址轉(zhuǎn)換為公有IP地址，IP地址對是一對一的，某個私有IP地址只轉(zhuǎn)換為某個公有IP地址。借助于靜態(tài)轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中某些特定設(shè)備(如服務(wù)器)的訪問；動態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址轉(zhuǎn)換為公用IP地址時，IP地址對是不確定的，所有被授權(quán)訪問Intemet的私有IP地址可隨機(jī)轉(zhuǎn)換為任何指定的合法IP地址。也就是說，只要指定哪些內(nèi)部地址可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及用哪些合法地址作為外部地址時，就可以進(jìn)行動態(tài)轉(zhuǎn)換。動態(tài)轉(zhuǎn)換可以使用多個合法外部地址集。當(dāng)ISP提供的合法IP地址略少于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計算機(jī)數(shù)量時，可以采用動態(tài)轉(zhuǎn)換的方式；端口多路復(fù)用是指改變外出數(shù)據(jù)包的源端口并進(jìn)行端口轉(zhuǎn)換，即端口地址轉(zhuǎn)換PAT(Port Address Translation)，采用端口多路復(fù)用方式。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)均可共享一個合法外部IP地址實現(xiàn)對Intemet的訪問。從而可最大限度地節(jié)約IP地址資源。同時，又可隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的所有主機(jī)，有效避免來自Internet的攻擊。因此。目前網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的就是端口多路復(fù)用方式。

　　NAT依賴于本地網(wǎng)絡(luò)上的一臺機(jī)器來初始化和路由器另一邊的主機(jī)的任何連接，它可以阻止外部網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)的惡意活動，這樣就可以阻止網(wǎng)絡(luò)蠕蟲*，提高本地系統(tǒng)的可靠性；阻擋惡意瀏覽，提高本地系統(tǒng)的私密性。同時，它也為UDP的跨局域網(wǎng)傳輸提供了方便。

　　3 內(nèi)核支持模塊

　　Linux內(nèi)核具有模塊化設(shè)計。在引導(dǎo)時，只有少量的駐留內(nèi)核被載入內(nèi)存。這之后，無論何時用戶要求使用駐留內(nèi)核中沒有的功能，相關(guān)的內(nèi)核模塊(kemel module)，有時稱驅(qū)動程序(driver)，就會被動態(tài)地載入內(nèi)存。

　　內(nèi)核模塊不被編譯在內(nèi)核中，因而控制內(nèi)核大小。然而模塊一旦被插入內(nèi)核，則與內(nèi)核其他部分一樣。

　　內(nèi)核模塊的實現(xiàn)機(jī)制是：啟動時，由函數(shù)voidinti_modules()初始化模塊，因為大多時啟動時很多時候沒有模塊。這個函數(shù)往往把內(nèi)核自身當(dāng)作一個虛模塊。如有系統(tǒng)需要，則調(diào)用一系列以sys開頭的函數(shù)，對模塊進(jìn)行操作，如：sys_creat_modules()，sys_inti_modules()，sys_deldte_modules()等。Linux從2．2開始支持1394，在內(nèi)核中開始加入Linux Subsystem。

　　4 技術(shù)需求

　　為實現(xiàn)1394網(wǎng)絡(luò)與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要組成1394網(wǎng)絡(luò)及研制1394網(wǎng)關(guān)。為組成1394網(wǎng)絡(luò)，需3臺具有1394接口的設(shè)備，構(gòu)成最小的1394網(wǎng)絡(luò)；其中一臺設(shè)備具有千兆以太網(wǎng)接口，作為網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)1394網(wǎng)絡(luò)與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。1394網(wǎng)絡(luò)組成框圖如圖1所示。

圖1 1394網(wǎng)絡(luò)組成框圖

　　1394網(wǎng)關(guān)與1394設(shè)備使用帶有1394接口卡的計算機(jī)：X86處理器，操作系統(tǒng)為Windows或Linux。

　　5 1394組網(wǎng)實驗

　　1394組網(wǎng)實驗環(huán)境如下：

　　1)硬件環(huán)境PC機(jī)2臺，1394適配卡2塊，1394連接線纜(4針)，以太網(wǎng)(外網(wǎng)，可訪問Internet)。

　　2)軟件環(huán)境操作系統(tǒng)為CentOS 5和Fedora 6。

　　3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2臺PC用1394線纜連接，其中一臺PC連接外網(wǎng)，可通過以太網(wǎng)訪問Internet，另一臺無其他連接。

　　2臺PC機(jī)通過1394實現(xiàn)通信，且其中一臺PC可通過1394訪問外網(wǎng)。

　　實驗總體原理：通過編譯安裝相關(guān)模塊，實現(xiàn)“IP over1394”，之后通過一系列配置，實現(xiàn)通過1394連接訪問外網(wǎng)。通信時，數(shù)據(jù)先被封裝成以太網(wǎng)下的標(biāo)準(zhǔn)包，再被封裝成符合1394標(biāo)準(zhǔn)的傳輸格式，傳到目標(biāo)節(jié)點后，再進(jìn)行相反順序的解包分析工作。

　　圖2說明了在Linux中IEEE1394的模塊組成關(guān)系。其中，OHCI1394-IEEE1394-eth1394-TCP／IP這條分支實現(xiàn)了1394的網(wǎng)絡(luò)功能，也就是IP over 1394。

圖2 1394模塊

　　PC間通過1394連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的原理圖如圖3所示。2臺PC的通信所使用的方式還是IP模式下的，只是物理連接變成了1394高速連接，而實現(xiàn)IP與1394之間聯(lián)系的是一個轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 1394網(wǎng)絡(luò)通信圖

　　圖4顯示該轉(zhuǎn)換模塊所做的工作。通過轉(zhuǎn)換包的結(jié)構(gòu)，使包的格式在兩種情況下轉(zhuǎn)換，就可以實現(xiàn)用1394傳輸，用IP操作。

圖4 轉(zhuǎn)換

　　為了在PC間建立通信，需要先使用ARP協(xié)議尋找目標(biāo)機(jī)的物理地址，這就需要發(fā)出ARP請求并接受ARP響應(yīng)。

　　圖5是1394的ARP包的格式。Hardware_type：硬件類型，針對于1394，這里就是0x0018；Protocol_type：協(xié)議類型，針對1394的ARP，該值是0x0800；Opeode：值1代表請求，值2代表響應(yīng)；Sender_unique_ID：發(fā)送者的ID；Sender_IP_address：發(fā)送者的IP地址；Target_IP_a-ddress：目標(biāo)IP地址。通過使用ARP協(xié)議獲得目標(biāo)物理地址后，就可建立通信連接。

圖5 1394的ARP包的格式

　　1394網(wǎng)關(guān)的配置可將1394網(wǎng)關(guān)看成是1394網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的路由器。在配置1394網(wǎng)關(guān)時，使用NAT技術(shù)，使該網(wǎng)關(guān)具有類似于以太網(wǎng)中內(nèi)外網(wǎng)之間路由器的功能。

　　PC可相互Ping通，且未與外網(wǎng)直接連接的PC可通過另一臺作為1394網(wǎng)關(guān)的PC訪問外網(wǎng)，且網(wǎng)速較快。通過1394訪問新浪網(wǎng)站時，用抓包軟件WireShark可以抓到鏈接到新浪網(wǎng)的HTTP包與TCP包。

　　6 結(jié)論

　　通過努力，現(xiàn)在所取得的成果主要有：1)實現(xiàn)1394的Linux下組網(wǎng)，1394內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互相訪問；2)實現(xiàn)1394網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的融合。通過一系列的安裝配置，可以使1394網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)連成一體，用戶可以像在以太網(wǎng)中一樣，進(jìn)行訪問各類網(wǎng)站，建立Ftp連接等正常網(wǎng)絡(luò)活動；3)對1394網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了多方面的測試實驗，對1394網(wǎng)絡(luò)性能的影響因素進(jìn)行了初步的總結(jié)。后續(xù)應(yīng)深化和完善1394整體性能，進(jìn)一步提升通信速率。造成實驗測試速率偏低的原因：PC性能限制，1394線纜質(zhì)量等，以及內(nèi)核版本較舊，緩沖區(qū)偏小等。