Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術研究及實現(xiàn)

IEEE 1394，又稱火線(FireWire)接口，是一種高速度傳送接口，適用于主板的標準工作速率為12．5、25或50 Mb／s，適用于外設的標準所支持的數(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)技術的設計方案。

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)絡應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，應用更廣泛。
1394可應用于家庭網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)以及Internet中的各種遠程系統(tǒng)，具有相同功能的1394產(chǎn)品要比普通的微機配套設備便宜，具有更好的可擴展性。所有這些都使1394產(chǎn)品獲得了強勁無比的競爭力。
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。現(xiàn)在通?？赡苓_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)采用細纜，便于安裝 4根信號線與2根電源線構(gòu)成的細纜使安裝簡單，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標準讀寫列入轉(zhuǎn)換的空間。總之，從上一層看，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備都可主動發(fā)出請求。而USB總線上的設備則是等待主機發(fā)送請求，然后做相應的動作。因而1394設備更智能化，因此1394就復雜一些，成本高一些。這個特性決定了1394可以是脫離以桌面主機為中心的束縛。
1394總線的拓撲結(jié)構(gòu)與USB相同，都是樹形結(jié)構(gòu)。但IEEE1394b提出了一個避免環(huán)狀結(jié)構(gòu)的方法，即使設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，前者的兩個設備之間如果必須經(jīng)過第三個設備，那么數(shù)據(jù)必須從第三個設備穿過。而后者則可直接在兩個設備間傳輸，不用經(jīng)過第三個設備。
1394總線上的設備之間也會選舉一些設備成為總線管理，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，或者提供總線的拓撲結(jié)構(gòu)和有限的電源管理。③總線管理器可以設置根節(jié)點，提供總線拓撲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡的響應時間，和更高級的電源管理。
5)熱插拔 能帶電插拔。增刪新裝置，不必關閉電源，操作非常簡單。
6)即插即用 增加新裝置不必設定ID，可自動予以分配。1394的使用者不需要任何相關知識，操作非常簡單，接上即用。實際上，當有新的設備接入某個1394端口時，整個總線將會進行一次總線復位(bus reset)。所有設備重新給自己起名字(節(jié)點標識，Node ID)。1394的起名字的機制很簡單，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的總線復位時間：短的只要1 μs，長的要160μs。

2 網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換NAT原理
網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換NAT(Network Address Translation)廣泛應用于各種類型Internet接入方式和各種類型的網(wǎng)絡中。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)絡外部的攻擊，隱藏并保護網(wǎng)絡內(nèi)部的計算機。
借助于NAT，私有(保留)地址的“內(nèi)部”網(wǎng)絡通過路由器發(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)絡內(nèi)所有計算機與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)和端口多路復用(OverLoad)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡的私有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)絡對內(nèi)部網(wǎng)絡中某些特定設備(如服務器)的訪問；動態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡的私有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)部地址可以進行轉(zhuǎn)換，以及用哪些合法地址作為外部地址時，就可以進行動態(tài)轉(zhuǎn)換。動態(tài)轉(zhuǎn)換可以使用多個合法外部地址集。當ISP提供的合法IP地址略少于網(wǎng)絡內(nèi)部的計算機數(shù)量時，可以采用動態(tài)轉(zhuǎn)換的方式；端口多路復用是指改變外出數(shù)據(jù)包的源端口并進行端口轉(zhuǎn)換，即端口地址轉(zhuǎn)換PAT(Port Address Translation)，采用端口多路復用方式。內(nèi)部網(wǎng)絡的所有主機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)絡內(nèi)部的所有主機，有效避免來自Internet的攻擊。因此。目前網(wǎng)絡中應用最多的就是端口多路復用方式。
NAT依賴于本地網(wǎng)絡上的一臺機器來初始化和路由器另一邊的主機的任何連接，它可以阻止外部網(wǎng)絡上的主機的惡意活動，這樣就可以阻止網(wǎng)絡蠕蟲病毒，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)核具有模塊化設計。在引導時，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 技術需求
為實現(xiàn)1394網(wǎng)絡與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要組成1394網(wǎng)絡及研制1394網(wǎng)關。為組成1394網(wǎng)絡，需3臺具有1394接口的設備，構(gòu)成最小的1394網(wǎng)絡；其中一臺設備具有千兆以太網(wǎng)接口，作為網(wǎng)關，實現(xiàn)1394網(wǎng)絡與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。1394網(wǎng)絡組成框圖如圖1所示。

1394網(wǎng)關與1394設備使用帶有1394接口卡的計算機：X86處理器，操作系統(tǒng)為Windows或Linux。