Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

IEEE 1394，又稱(chēng)火線(xiàn)(FireWire)接口，是一種高速度傳送接口，適用于主板的標(biāo)準(zhǔn)工作速率為12．5、25或50 Mb／s，適用于外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)性等時(shí)傳輸；采用細(xì)纜便于安裝；采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)；支持熱插拔等特點(diǎn)。因此，基予IEEE1394的特點(diǎn)，這里提出一種Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。

1 IEEE1394簡(jiǎn)介
對(duì)于多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭蟠呱薎EEE1394(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1394)的發(fā)展。多媒體數(shù)據(jù)傳輸要具有實(shí)時(shí)性。單純圖形傳輸或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用一般對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高。例如在Internet上瀏覽主頁(yè)，雖有延遲，但一般尚可接受。如果網(wǎng)絡(luò)會(huì)議就要求具有實(shí)時(shí)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(jiǎn)便，應(yīng)用更廣泛。
1394可應(yīng)用于家庭網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)以及Internet中的各種遠(yuǎn)程系統(tǒng)，具有相同功能的1394產(chǎn)品要比普通的微機(jī)配套設(shè)備便宜，具有更好的可擴(kuò)展性。所有這些都使1394產(chǎn)品獲得了強(qiáng)勁無(wú)比的競(jìng)爭(zhēng)力。
1394具有如下特點(diǎn)：
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(shí)400Mb／s就可以滿(mǎn)足所有要求?，F(xiàn)在通?？赡苓_(dá)到的物理流LSI速度是200Mb／s。另外，實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般都要經(jīng)過(guò)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(mǎn)足實(shí)際需要。但對(duì)多路數(shù)字視頻信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，傳輸速率總是越高越好。
2)實(shí)時(shí)性 1394的特點(diǎn)是利用等時(shí)性傳輸來(lái)保證實(shí)時(shí)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(xì)纜，便于安裝 4根信號(hào)線(xiàn)與2根電源線(xiàn)構(gòu)成的細(xì)纜使安裝簡(jiǎn)單，而且價(jià)格便宜。但接點(diǎn)間距只有4．5 m。似乎略顯不足。而采用延伸接點(diǎn)間距的方法，POF可以將接點(diǎn)間距延長(zhǎng)至70m。
4)總線(xiàn)結(jié)構(gòu) 1394是總線(xiàn)，不是I／O。向各裝置傳送數(shù)據(jù)時(shí)，是按IEEE1212標(biāo)準(zhǔn)讀寫(xiě)列入轉(zhuǎn)換的空間?？傊?，從上一層看，1394是與PCI總線(xiàn)相同。
1394總線(xiàn)和常見(jiàn)的USB總線(xiàn)的不同之處在于：1394是一個(gè)對(duì)等的總線(xiàn)。就是說(shuō)。任何一個(gè)總線(xiàn)上的設(shè)備都可主動(dòng)發(fā)出請(qǐng)求。而USB總線(xiàn)上的設(shè)備則是等待主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，然后做相應(yīng)的動(dòng)作。因而1394設(shè)備更智能化，因此1394就復(fù)雜一些，成本高一些。這個(gè)特性決定了1394可以是脫離以桌面主機(jī)為中心的束縛。
1394總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與USB相同，都是樹(shù)形結(jié)構(gòu)。但I(xiàn)EEE1394b提出了一個(gè)避免環(huán)狀結(jié)構(gòu)的方法，即使設(shè)備連接形成一個(gè)圓環(huán)時(shí)，也能保證正常工作。1394串行總線(xiàn)與PCI并行總線(xiàn)不一樣，前者的兩個(gè)設(shè)備之間如果必須經(jīng)過(guò)第三個(gè)設(shè)備，那么數(shù)據(jù)必須從第三個(gè)設(shè)備穿過(guò)。而后者則可直接在兩個(gè)設(shè)備間傳輸，不用經(jīng)過(guò)第三個(gè)設(shè)備。
1394總線(xiàn)上的設(shè)備之間也會(huì)選舉一些設(shè)備成為總線(xiàn)管理，做些額外的工作，如：①根節(jié)點(diǎn)主要是在總線(xiàn)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(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和有限的電源管理。③總線(xiàn)管理器可以設(shè)置根節(jié)點(diǎn)，提供總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間，和更高級(jí)的電源管理。
5)熱插拔 能帶電插拔。增刪新裝置，不必關(guān)閉電源，操作非常簡(jiǎn)單。
6)即插即用 增加新裝置不必設(shè)定ID，可自動(dòng)予以分配。1394的使用者不需要任何相關(guān)知識(shí)，操作非常簡(jiǎn)單，接上即用。實(shí)際上，當(dāng)有新的設(shè)備接入某個(gè)1394端口時(shí)，整個(gè)總線(xiàn)將會(huì)進(jìn)行一次總線(xiàn)復(fù)位(bus reset)。所有設(shè)備重新給自己起名字(節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，Node ID)。1394的起名字的機(jī)制很簡(jiǎn)單，從0開(kāi)始往上，最多到62。一般葉子節(jié)點(diǎn)的ID小，樹(shù)根的ID最大。1394的總線(xiàn)復(fù)位時(shí)間：短的只要1 μs，長(zhǎng)的要160μs。

2 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT原理
網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT(Network Address Translation)廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型Internet接入方式和各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)中。NAT不僅完美地解決了lP地址不足的問(wèn)題，而且還能夠有效避免來(lái)自網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊，隱藏并保護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)。
借助于NAT，私有(保留)地址的“內(nèi)部”網(wǎng)絡(luò)通過(guò)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(gè)局域網(wǎng)只需使用少量外部IP地址即可實(shí)現(xiàn)私有地址網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計(jì)算機(jī)與Intemet的通信需求。NAT將自動(dòng)修改IP報(bào)文頭的源IP地址和目的IP地址，IP地址校驗(yàn)則在NAT處理過(guò)程中自動(dòng)完成。有些應(yīng)用程序?qū)⒃碔P地址嵌入到IP報(bào)文的數(shù)據(jù)部分中，所以還需要同時(shí)對(duì)報(bào)文進(jìn)行修改，以匹配IP頭中已經(jīng)修改過(guò)的源IP地址。否則，在報(bào)文數(shù)據(jù)都分別嵌入IP地址的應(yīng)用程序就不能正常工作。
NAT的實(shí)現(xiàn)方式有3種，即靜態(tài)轉(zhuǎn)換(Slatic NAT)、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換(Dynamic NAT)和端口多路復(fù)用(OverLoad)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址轉(zhuǎn)換為公有IP地址，IP地址對(duì)是一對(duì)一的，某個(gè)私有IP地址只轉(zhuǎn)換為某個(gè)公有IP地址。借助于靜態(tài)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中某些特定設(shè)備(如服務(wù)器)的訪(fǎng)問(wèn)；動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換是指將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址轉(zhuǎn)換為公用IP地址時(shí)，IP地址對(duì)是不確定的，所有被授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)Intemet的私有IP地址可隨機(jī)轉(zhuǎn)換為任何指定的合法IP地址。也就是說(shuō)，只要指定哪些內(nèi)部地址可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及用哪些合法地址作為外部地址時(shí)，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換可以使用多個(gè)合法外部地址集。當(dāng)ISP提供的合法IP地址略少于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)數(shù)量時(shí)，可以采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的方式；端口多路復(fù)用是指改變外出數(shù)據(jù)包的源端口并進(jìn)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(fù)用方式。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)均可共享一個(gè)合法外部IP地址實(shí)現(xiàn)對(duì)Intemet的訪(fǎng)問(wèn)。從而可最大限度地節(jié)約IP地址資源。同時(shí)，又可隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的所有主機(jī)，有效避免來(lái)自Internet的攻擊。因此。目前網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的就是端口多路復(fù)用方式。
NAT依賴(lài)于本地網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)機(jī)器來(lái)初始化和路由器另一邊的主機(jī)的任何連接，它可以阻止外部網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)的惡意活動(dòng)，這樣就可以阻止網(wǎng)絡(luò)蠕蟲(chóng)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(shí)，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(shè)計(jì)。在引導(dǎo)時(shí)，只有少量的駐留內(nèi)核被載入內(nèi)存。這之后，無(wú)論何時(shí)用戶(hù)要求使用駐留內(nèi)核中沒(méi)有的功能，相關(guān)的內(nèi)核模塊(kemel module)，有時(shí)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)程序(driver)，就會(huì)被動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)制是：?jiǎn)?dòng)時(shí)，由函數(shù)voidinti_modules()初始化模塊，因?yàn)榇蠖鄷r(shí)啟動(dòng)時(shí)很多時(shí)候沒(méi)有模塊。這個(gè)函數(shù)往往把內(nèi)核自身當(dāng)作一個(gè)虛模塊。如有系統(tǒng)需要，則調(diào)用一系列以sys開(kāi)頭的函數(shù)，對(duì)模塊進(jìn)行操作，如：sys_creat_modules()，sys_inti_modules()，sys_deldte_modules()等。Linux從2．2開(kāi)始支持1394，在內(nèi)核中開(kāi)始加入Linux Subsystem。

4 技術(shù)需求
為實(shí)現(xiàn)1394網(wǎng)絡(luò)與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要組成1394網(wǎng)絡(luò)及研制1394網(wǎng)關(guān)。為組成1394網(wǎng)絡(luò)，需3臺(tái)具有1394接口的設(shè)備，構(gòu)成最小的1394網(wǎng)絡(luò)；其中一臺(tái)設(shè)備具有千兆以太網(wǎng)接口，作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)1394網(wǎng)絡(luò)與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。1394網(wǎng)絡(luò)組成框圖如圖1所示。

1394網(wǎng)關(guān)與1394設(shè)備使用帶有1394接口卡的計(jì)算機(jī)：X86處理器，操作系統(tǒng)為Windows或Linux。