基于ATM的ADSL網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)

圖3：ADSL網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧

在圖3中，AAL5是ATM適配層，RFC1483是ATM適配層第五類型的多協(xié)議封裝規(guī)范，描述了在ATM端系統(tǒng)中怎樣在主機(jī)、橋設(shè)備和路由設(shè)備之間承載多協(xié)議業(yè)務(wù)。在ADSL網(wǎng)關(guān)中，根據(jù)ITU的協(xié)議規(guī)范，信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列變換以ATM信元的形式輸出，因此我們要在ATM適配層的基礎(chǔ)上將信號(hào)變成上層協(xié)議能夠識(shí)別的包，從而決定該包是否轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄或者接收。根據(jù)RFC1483協(xié)議，有兩種多協(xié)議封裝的形式，一種是LLC封裝多協(xié)議，即LLC-SNAP模式，在同一個(gè)VC上承載多協(xié)議，協(xié)議類型包含在LLC頭中，另一種是VC-MUX模式，不同的協(xié)議使用不同的VC,則不需要在協(xié)議頭中指明協(xié)議類型，而具體哪一個(gè)VC承載哪一種協(xié)議則是在鏈路初始化的時(shí)候確定，這種方法降低了鏈路開(kāi)銷，但在虛擬連接數(shù)量有限的情況下多數(shù)還是使用LLC復(fù)用。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能是通過(guò)在Linux內(nèi)核中加載PPPOA模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

PPP包中包括三種類型的信息：

* Link Control Protocol(LCP) 用來(lái)協(xié)商鏈路參數(shù)，包的大小，以及認(rèn)證類型

* Network Control Protocol(NCP) 指明高層協(xié)議的信息，可以是IP、IPX及其控制協(xié)議。

* 數(shù)據(jù)幀

　　ADSL遵循的協(xié)議是基于ATM的，也就是在物理層是在電話線上調(diào)制高速數(shù)據(jù)信號(hào)，RS編碼，擾碼等一些物理層的協(xié)議，在物理層以上是以ATM信元格式輸出的，而對(duì)于ADSL網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，PPP over ATM Adaption Layer 5(AAL5) RFC2364是用AAL5作為成幀協(xié)議，支持PVC,SVC, PPPOA是ADSL協(xié)議棧的基本部分，它依賴于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用戶端設(shè)備(CPE)封裝PPP包的過(guò)程就是以PPPOA協(xié)議來(lái)進(jìn)行ADSL環(huán)路和DSLAM上傳輸數(shù)據(jù)的。AAL5的公共部分匯集子層（CPCS）的協(xié)議數(shù)據(jù)單元如圖4所示：

　　其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5協(xié)議的數(shù)據(jù)部分，最大為216-1個(gè)字節(jié)，這是因?yàn)樵谙旅娴亩止?jié)的LENGTH域中限定的。PAD中有48個(gè)字節(jié)，剛好為一個(gè)信元的數(shù)據(jù)域，由SAR(分段重組)子層生成，CPI域是為了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填補(bǔ)上去的，CRC采用32位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

　　在我們的ADSL網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，考慮到有限的虛擬連接的數(shù)量，我們采用的是LLC封裝多協(xié)議的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如圖4所示。包括：

* LLC頭：3字節(jié)，其中兩個(gè)字節(jié)指定了一個(gè)目的SAP(0xFE)和源SAP(0xFE)，后面是幀類型，為Un-numbered Information=0x03

* Network Layer protocol Identifier(NLPID)，這里使用的是PPP，其類型值為0xCF

* PPP協(xié)議標(biāo)識(shí)域?yàn)橐缓投止?jié)

* PPP信息域

* PPP填充域

　　對(duì)于局域網(wǎng)內(nèi)的用戶通過(guò)以太網(wǎng)口和Wireless LAN的天線與網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，其中以太網(wǎng)和Wireless LAN使用不同的網(wǎng)段，網(wǎng)關(guān)要做的事情是看用戶的IP包，如果是發(fā)往本局域網(wǎng)的，那要看是不是同一個(gè)網(wǎng)段的，如果是則丟棄，如果不是則發(fā)向另一網(wǎng)段，也就是說(shuō)在本地的包業(yè)務(wù)通信中，起了一個(gè)橋接的作用。如果不是發(fā)向本局域網(wǎng)，而是發(fā)向廣域網(wǎng)的包則通過(guò)PPP端口轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)其路由功能。以太網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)程序和WLAN驅(qū)動(dòng)程序在Linux中也是作為一個(gè)可載入模塊加載到Linux內(nèi)核中。

　　為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)功能，在應(yīng)用層我們還根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了基于IP地址過(guò)濾的防火墻，網(wǎng)絡(luò)地址解析，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理，動(dòng)態(tài)主機(jī)地址分配，和WEB服務(wù)器，

　　重新編譯內(nèi)核時(shí)去掉對(duì)硬盤，鼠標(biāo)，顯卡，鍵盤的支持，只保留一個(gè)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)，并放在Flash上，這樣可以在線升級(jí)網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)。內(nèi)核的核心主要是進(jìn)行內(nèi)存管理，啟動(dòng)和中斷。將PPPOA模塊、以太網(wǎng)以及WLAN驅(qū)動(dòng)模塊編譯進(jìn)內(nèi)核，內(nèi)核程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口間采用消息驅(qū)動(dòng)方式，三個(gè)模塊對(duì)應(yīng)三個(gè)消息隊(duì)列和三個(gè)通信例程，每個(gè)例程負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)一個(gè)消息隊(duì)列），當(dāng)接受到消息時(shí)，使進(jìn)程轉(zhuǎn)入處理程序，進(jìn)行內(nèi)存刷新、加工數(shù)據(jù)幀頭、發(fā)送消息等工作，消息隊(duì)列如果沒(méi)有消息存在，該進(jìn)程就釋放CPU給其它進(jìn)程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外設(shè)的I/O空間要映射到物理內(nèi)存空間，所以要在TLB中鎖定這些內(nèi)存，在為三個(gè)PCI設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)，要判斷分配的內(nèi)存空間是否與鎖定的內(nèi)存空間重疊。另外我們?cè)谟布O(shè)計(jì)上使用了串口(RS-232)作為調(diào)試接口，可以在shell中測(cè)試系統(tǒng)命令，運(yùn)行應(yīng)用程序，或用GDB對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試，另外shell還用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。配置包括配置全局參數(shù)對(duì)網(wǎng)關(guān)的命令行接口，需要配置撥號(hào)PPP over ATM端口、以太網(wǎng)和WLAN端口。在配置前需要確認(rèn)ADSL線路與DSLAM連接，要有一個(gè)靜態(tài)IP地址或者由ISP負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)IP地址分配。網(wǎng)關(guān)在啟動(dòng)時(shí)，BIOS上電自檢，加載文件系統(tǒng)，引導(dǎo)網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)，ADSL線路進(jìn)行握手操作，初始化鏈路，進(jìn)入SHOWTIME。

三、 進(jìn)一步的工作及展望

　　ADSL網(wǎng)關(guān)集ADSL modem 和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)于一體，既完成ADSL接入的模擬的調(diào)制解調(diào)工作，又在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了資源共享，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全方面的功能等，是一種有著廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)