???? 摘? 要: 介紹了實現專用無線網與局域網之間的IP級互連原理和關鍵技術,并討論了此項技術的應用前景。

??? 關鍵詞: IP網關? 串口通信

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　　在實際網絡中,許多不在同一地點的局域網之間需要交互信息。為實現專用無線網與局域網之間的互連,研制具備下述功能的網關。首先,實現IP級互連,即某一局域網的IP數據報經過網關的轉換后可以通過無線網傳到另一網關,再經轉換后,IP數據報可到達另一局域網的相應的主機上,如圖1所示;其次,實現連接認證。當網關啟動時,與另一網關進行連接認證,當認證通過時,才建立IP連接。

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　　實驗采用自主開發的軟件,工作在Windows 9x操作系統下,在局域網中獲得所有的IP數據報,通過判斷、修改Ethernet頭信息,將IP數據報送至串口,通過連接在串口的無線設備發送出去。目的網絡的網關串口上連接的無線設備接收到后,通過網關轉發到目的計算機。從功能上說,網關計算機實現的是路由器的功能。

1 路由器功能

　　路由器的功能主要有以下五個方面:

　　(1)網絡間截獲發送到遠地網段的報文,起轉發的作用;

　　(2)選擇最合理的路由,引導通信;

　　(3)路由器在轉發報文的過程中,為了便于在網絡間傳送報文,按照預定的規則把大的數據包分解成適當大小的數據包,到達目的地后再把分解的數據包包裝成原有形式;

　　(4)多協議的路由器可以連接使用不同通信協議的網絡段,作為不同通信協議網絡段通信連接的平臺;

　　(5)路由器的主要任務是把通信引導到目的地網絡,然后到達特定的節點站地址。后一個功能是通過網絡地址分解完成的。

　　根據本項目的具體要求,所設計的無線網關實現了路由器的一部分功能,但并不是一個完整意義上的路由器。

2 系統設計與實現

2.1 系統結構

　　系統結構如圖1所示。

　　對LAN而言,無線數據鏈是隱含在網關內的協議實體,它對LAN1和LAN2都是透明的。對外部而言,半網關1和半網關2構成一個整體網關,它完成與IP有關的信息處理,路由選擇和LAN內部物理尋址。兩個LAN間的IP數據報傳輸處理過程如圖2所示。這里網關主要解決轉發決策、時延處理、地址轉換等。

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2.2 半網關的體系結構

　　半網關的體系結構如圖3所示。

　　其中:

　　VxD:從本地LAN接收和向本地LAN發送MAC幀(VxD是Windows 95/98下虛擬設備驅動程序);

　　LAN接收:去掉VxD傳遞的數據中的MAC幀控制信息,并根據目的IP地址決定是否將其轉給IP處理模塊;

　　LAN發送:根據IP模塊轉來的目的IP地址,查找對應的MAC地址,進而組成完整的MAC幀交由VxD發送到本地LAN；

　　IP處理模塊:負責路由選擇和其他IP層處理,并將LAN接收模塊交來的IP數據報處理后交給Line發送模塊,將Line接收模塊交來的IP數據報交給本地LAN發送模塊;

　　Line接收模塊:把從數據鏈路接收的完整IP數據報交給IP處理模塊;

　　Line發送模塊:把從IP處理模塊接收的IP數據報發送到數據鏈路上。

　　由上述功能可以看出,若把網關看作是一個雙向系統,那么入口端負責IP數據報的過濾,出口端負責IP數據報的轉發。連接認證模塊負責在建立IP連接前兩個半網關的認證。

　　管理模塊:負責半網關的進程調度,并提供地址庫的修改接口。

　　對網卡的操作通過調用VxD軟件實現。

　　此外,半網關中附有一個地址庫,存儲本地LAN的IP地址和對應的MAC地址的信息,供LAN發送和接收模塊查詢或調用。

3 系統實現

3.1 軟件結構

　　軟件開發平臺為Windows 95/98,開發軟件為Microsoft Visual C++ 6.0。

　　Windows 95支持多線程運行,一個軟件可以創建多個線程同時執行不同的功能。進程間的運行是互相獨立的,有各自的堆棧。網關功能模塊和串口通信模塊是同時運行的。需要設計成兩個單獨的線程。考慮到串口通信模塊中數據的收發也是同時進行的,因此將串口通信模塊設計成收發兩個進程。

　　根據上述設計思想,軟件的整體框圖如圖4所示。

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3.2 模塊設計

3.2.1 認證模塊設計

　　開機后首先進行連接認證。在實施認證時,網關軟件以client和server的方式運行,每個半網關均工作于Client/Server 模式,即都包含client和server實體,任何一方都可以請求建立連接。當請求超時,請求方將退出請求等待狀態,待對方請求時再建立通信連接。在認證通過前不啟動軟件的網關功能,認證通過后開放網關功能。

　　軟件提供加密函數的接口,對本地輸入的用戶名和口令加密后傳送。接收端提供認證函數的接口,返回認證結果。

3.2.2 數據幀的監聽和發送

　　網關軟件運行后,用戶通過菜單命令啟動網絡監聽線程。網絡監聽線程負責接收和發送數據報。網絡監聽線程首先從外部讀入初始化信息,包括本機IP地址、NDIS序號、網絡ARP表、路由表。然后裝載VxD程序,并進行初始化,完成監聽的準備工作。

接下來線程開始循環訪問網絡接收緩沖區和串口緩沖區,對其中的IP數據報進行分析、轉發。

　　對于從網絡接收緩沖區得到的數據報,網絡監聽線程首先對其目的IP地址進行分析,判斷該數據分組是否需要轉發。對于需要轉發的,網關計算機給它加上相應的數據鏈路的頭信息,并進行碼字透明處理后存入串口發送緩沖區;對于不需要轉發的數據報不予處理。這樣的處理主要是為局域網中可能存在多個網關而設計的。

　　對于從串口接收緩沖區得到的數據報,網絡監聽線程首先提取該數據報的目的IP地址,通過該IP地址查詢ARP表得到目的主機的MAC地址。線程在該數據報前加上MAC幀頭,通過調用VxD接口函數發送該數據報。

3.2.3 串口通信模塊設計

　　串口通信部分為上層網關功能模塊提供透明傳輸。實驗規定的串口通信速率很低(4800bps),當局域網的數據流量增大時,將成為整個通信的瓶頸。因此,對這部分軟件的主要要求是在保證通信誤碼率低的基礎上達到高效。

串口通信包括發送和接收兩部分,以全雙工的方式工作。這樣可以保證串口的工作效率。采用線程的工作方式也便于和整個軟件其他模塊的協調運行(如與上層網關功能模塊之間)。

　　(1)數據發送模塊

　　IP數據報的發送通過一個獨立的線程來進行。由于串口通過無線鏈路連接,采用短波通信,誤碼率較高,因此要求一定的傳輸協議來保證數據的可靠傳輸。實際實施時,采用奇校驗和停止等待協議來保證串口數據的可靠傳輸。每一個字節的傳輸都采用奇校驗方式。在發送一個IP數據包采用停止等待協議。每次發送數據時,先查詢是否有確認或出錯幀要發送,如果有,則發送確認或出錯幀。如果沒有,則查詢數據緩沖區是否有IP包要發送。如果有,則從數據緩沖區中取出一個包,附上幀頭和數據起始標志進行發送。發送完數據后,等待對方返回確認。如果對方在規定時間內沒有返回確認則重新發送剛才的數據。在等待期間不發送新的數據,但是如果本地接收數據后需要發送確認消息給對方,則盡快發送。

　　在本軟件中,兩個半網關用于連接兩個局域網。對串口通信的要求是雙向高速。兩個半網關可能同時有大量數據要傳送。當使用停止等待協議時,停止等待協議的等待時間應為對方發送最大一個數據包所需要的時間。根據實驗得知,在以太網上,最大數據包長度為1500字節,因此,等待時間應為:1500×2×8/4800=5s。

這個時間是最大等待時間。在實驗中,得到平均等待時間為853ms。因此,在軟件中設置等待時間為1s。

　　(2)數據接收模塊

　　接收模塊由消息響應函數完成。先搜索報文頭,對報文頭進行處理。再判斷接收幀的類型,作出相應處理。接收完后,查詢數據接收錯誤標志,如果有錯誤發生,則丟棄該數據包;反之,將該數據包存入緩沖區。

4 系統測試與應用前景

　　WWW是目前Internet網上的主要服務,它是基于TCP/IP的典型應用。以這項服務對所開發的網關軟件進行了測試。實驗表明,網關軟件原理正確。

　　由于采用了串口通信技術,該成果可經簡單改裝,用在基于modem的網絡互連等多方面,如在監控系統的各級之間、公司總部與分公司、辦事處之間實現廉價的LAN互聯。

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參考文獻

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