基于ATM的ADSL網(wǎng)關(guān)的研究與實現(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、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，信號經(jīng)過一系列變換以ATM信元的形式輸出，因此我們要在ATM適配層的基礎(chǔ)上將信號變成上層協(xié)議能夠識別的包，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VC承載哪一種協(xié)議則是在鏈路初始化的時候確定，這種方法降低了鏈路開銷，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。實現(xiàn)這個功能是通過在Linux內(nèi)核中加載PPPOA模塊來實現(xiàn)的。

PPP包中包括三種類型的信息：

* Link Control Protocol(LCP) 用來協(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，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，而對于ADSL網(wǎng)關(guān)來說，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包的過程就是以PPPOA協(xié)議來進行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個字節(jié)，這是因為在下面的二字節(jié)的LENGTH域中限定的。PAD中有48個字節(jié)，剛好為一個信元的數(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位而填補上去的，CRC采用32位的循環(huán)冗余校驗碼。

　　在我們的ADSL網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，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)，其中兩個字節(jié)指定了一個目的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)識域為一和二字節(jié)

* PPP信息域

* PPP填充域

　　對于局域網(wǎng)內(nèi)的用戶通過以太網(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，也就是說在本地的包業(yè)務(wù)通信中，起了一個橋接的作用。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PPP端口轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)其路由功能。以太網(wǎng)的驅(qū)動程序和WLAN驅(qū)動程序在Linux中也是作為一個可載入模塊加載到Linux內(nèi)核中。

　　為了實現(xiàn)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)功能，在應(yīng)用層我們還根據(jù)實際需要實現(xiàn)了基于IP地址過濾的防火墻，網(wǎng)絡(luò)地址解析，簡單網(wǎng)絡(luò)管理，動態(tài)主機地址分配，和WEB服務(wù)器，

　　重新編譯內(nèi)核時去掉對硬盤，鼠標(biāo)，顯卡，鍵盤的支持，只保留一個簡單的文件系統(tǒng)，并放在Flash上，這樣可以在線升級網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)。內(nèi)核的核心主要是進行內(nèi)存管理，啟動和中斷。將PPPOA模塊、以太網(wǎng)以及WLAN驅(qū)動模塊編譯進內(nèi)核，內(nèi)核程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口間采用消息驅(qū)動方式，三個模塊對應(yīng)三個消息隊列和三個通信例程，每個例程負(fù)責(zé)監(jiān)聽相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)（對應(yīng)一個消息隊列），當(dāng)接受到消息時，使進程轉(zhuǎn)入處理程序，進行內(nèi)存刷新、加工數(shù)據(jù)幀頭、發(fā)送消息等工作，消息隊列如果沒有消息存在，該進程就釋放CPU給其它進程。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PCI設(shè)備進行內(nèi)存分配時，要判斷分配的內(nèi)存空間是否與鎖定的內(nèi)存空間重疊。另外我們在硬件設(shè)計上使用了串口(RS-232)作為調(diào)試接口，可以在shell中測試系統(tǒng)命令，運行應(yīng)用程序，或用GDB對應(yīng)用程序進行調(diào)試，另外shell還用于對系統(tǒng)進行配置。配置包括配置全局參數(shù)對網(wǎng)關(guān)的命令行接口，需要配置撥號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，要有一個靜態(tài)IP地址或者由ISP負(fù)責(zé)動態(tài)IP地址分配。網(wǎng)關(guān)在啟動時，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線路進行握手操作，初始化鏈路，進入SHOWTIME。

三、 進一步的工作及展望

　　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)上實現(xiàn)了資源共享，簡單網(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)