基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的IP隧道應(yīng)用軟件

文/黃騰 鄭凱 姜孝偉

在TCP/IP世界中，以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)報的封裝是在RFC 894[Hornig 1984]中定義的。前面12個字節(jié)是硬件地址（即MAC地址）。

對MAC地址的提取是IP隧道的關(guān)鍵技術(shù)。在Windows操作系統(tǒng)中，可以通過綁定底層適配器來提取服務(wù)端和客戶端的MAC地址。但是，在VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)中，沒有相應(yīng)的底層適配器應(yīng)用函數(shù)。通過鉤子函數(shù)可以鉤取MAC地址，但鉤子函數(shù)本身屬于黑客機(jī)制，具有一定的風(fēng)險。

本文通過開發(fā)SENS中的MUX層，對網(wǎng)卡底層原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而獲取服務(wù)端與客戶端的MAC地址，實(shí)現(xiàn)IP隧道技術(shù)。

1 可裁減的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)堆棧

SENS獨(dú)立于硬件設(shè)備接口，由協(xié)議驅(qū)動程序、多元接口MUX層和END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序組成。

協(xié)議驅(qū)動程序負(fù)責(zé)與上層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議交互。增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動END（Enhanced Network Driver）是一個數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動程序，它通過MUX層與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層通信。MUX層作為數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間的接口，用于管理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口和底層硬件之間的交互，將硬件從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)中隔離出來。它是為減弱數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間的耦合性、提升網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序與協(xié)議的通信效率而專門增加的一層協(xié)議。

2 驅(qū)動程序與協(xié)議層共享緩沖區(qū)

VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸數(shù)據(jù)使用的內(nèi)存，是在VxWorks操作系統(tǒng)啟動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議初始化時申請的。VxWorks操作系統(tǒng)提供NetBufLib建立內(nèi)存節(jié)點(diǎn)池，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存都在這些內(nèi)存節(jié)點(diǎn)池中申請，使用完畢后釋放。

表1：IP隧道業(yè)務(wù)報文結(jié)構(gòu)

表2：IP隧道應(yīng)用軟件抓取的MAC地址

NetBufLib使用三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：mBlk、clBlk和cluster。其中，cluster保存的是實(shí)際的數(shù)據(jù)，mBlk和clBlk保存的是指向數(shù)據(jù)的指針，用于管理cluster中保存的數(shù)據(jù)。

在基于END驅(qū)動的VxWorks中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過MUX接口與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行通信，所有與網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的業(yè)務(wù)都在數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動中處理，如數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3 IP隧道報文結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)卡之間搭建IP隧道，對每一個發(fā)送的IP報文封裝IP隧道報頭，對每一個接收的IP報文拆解IP隧道報頭。業(yè)務(wù)報文結(jié)構(gòu)如表1。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

本文試驗(yàn)使用計算機(jī)和開發(fā)板搭建IP隧道。

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，在計算機(jī)上安裝“業(yè)務(wù)模擬與分析系統(tǒng)”終端軟件和UDP數(shù)據(jù)終端軟件，用于和開發(fā)板之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。在開發(fā)板PPC上加載并運(yùn)行IP隧道應(yīng)用軟件。

開機(jī)后，計算機(jī)和開發(fā)板網(wǎng)卡間會進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，IP隧道應(yīng)用軟件接收端會抓取開發(fā)板網(wǎng)卡收到的最原始數(shù)據(jù)。提取數(shù)據(jù)的前12個字節(jié)，開發(fā)板MAC地址在前（目的MAC地址），計算機(jī)MAC地址在后（源MAC地址）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

獲取MAC地址后，在發(fā)送端封裝IP隧道報頭，處理時要把上述目的MAC和源MAC對調(diào)。

IP隧道應(yīng)用軟件接收來自“業(yè)務(wù)模擬與分析系統(tǒng)”終端軟件的數(shù)據(jù)并通過UDP轉(zhuǎn)發(fā)給UDP數(shù)據(jù)終端軟件；同時，它通過UDP接收來自UDP數(shù)據(jù)終端軟件的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給“業(yè)務(wù)模擬與分析系統(tǒng)”終端軟件，從而形成測試回路。

5 結(jié)束語

我們進(jìn)行了10000次開機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，本文通過開發(fā)MUX層抓取網(wǎng)卡底層最原始數(shù)據(jù)，對服務(wù)端與客戶端MAC地址的提取成功率高達(dá)100%。同時，在“業(yè)務(wù)模擬與分析系統(tǒng)”終端軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為5ms情況下，回環(huán)測試的數(shù)據(jù)收、發(fā)丟包率為0%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的通過開發(fā)MUX層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡底層數(shù)據(jù)抓取的方法可以有效解決VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)下IP隧道報文的收、發(fā)問題，從而保障無線通信。