基于嵌入式操作系統(tǒng)的ADSL網(wǎng)關的研究與設計

喬 木，王迤冉，唐 浩

（1.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院 信息工程系，河南 鄭州 451191；2.周口師范學院 計算機科學與技術學院，河南 周口 466001）

在基于ATM組網(wǎng)的ADSL系統(tǒng)接入中，寬帶網(wǎng)絡一般分為三層網(wǎng)絡體系結構：接入層（Access）、邊緣層（Edge）和骨干層（Core）.其中接入層的功能由ADSL接入設備（包括DSLAM和ATUR兩部分）完成，邊緣層的主要功能是完成ADSL設備DSLAM和寬帶骨干網(wǎng)絡的連接，即把用戶登錄時提交的帳號和密碼在認證服務器Radius上進行對比驗證，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)庫定義的用戶權限，將授權用戶連接到相應的ISP上，同時可完成PVC和PPP在BAS的終結功能，因此又將此設備稱為寬帶服務網(wǎng)關.這種基于ATM組網(wǎng)的ADSL接入最終還要和以IP技術為核心的Internet實現(xiàn)互通，需要ATM到IP的網(wǎng)關設備——寬帶接入服務器BRAS，BRAS由于要同時支持ATM和IP兩種協(xié)議，其設備成本較ATM設備更為昂貴.此方案適用于大容量大規(guī)模ADSL的接入，并且ADSL用戶地理位置相對集中在同一電話網(wǎng)的同一配線區(qū)，而一些欠發(fā)達的城市還不具備這種組網(wǎng)方案所需的條件.

ATM核心網(wǎng)絡的缺少和寬帶接入服務器的高成本，成為寬帶接入系統(tǒng)ADSL快速發(fā)展的障礙.第二代ADSL局端設備采用基于IP的組網(wǎng)方式，并將寬帶接入服務器的部分功能（ATM到IP轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關）轉(zhuǎn)移到ADSL局端設備中，直接和IP網(wǎng)相連.這樣不僅省去了昂貴的寬帶接入服務器，而且由于ADSL局端設備完成了ATM PVC的終結，節(jié)省了系統(tǒng)資源，克服了第一代ADSL局端設備在組網(wǎng)時完全依賴ATM網(wǎng)絡的缺陷，在組網(wǎng)模式上是一大進步，特別適合ADSL用戶分散且量不大，無寬帶接入服務器的情況使用.

1 ADSL網(wǎng)關的硬件設計

本文描述的ADSL網(wǎng)關在DSLAM接入設備中提供同廣域?qū)拵?shù)據(jù)網(wǎng)的連接，完成多路ADSL的復用，最多支持512個ADSL用戶，提供兩路100M的基于以太網(wǎng)的物理光接口或電接口，其作用相當于ATM－IP網(wǎng)關.其硬件原理圖如圖1所示，其核心是Motorola系列處理器 MPC8260，外掛1／100M以太網(wǎng)接口等，實現(xiàn)較為復雜的控制轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)通信的功能.

圖1 ADSL網(wǎng)關硬件結構圖

利用MPC8260的155MSAR和100M以太網(wǎng)作ATM到Ethernet網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，F(xiàn)CC1作ATM收發(fā)，F(xiàn)CC2作Ethernet收發(fā).具體的數(shù)據(jù)流向是上行方向來的ATM信息，經(jīng)過標準LVDS總線到達PMC7350，經(jīng)PMC7350處理后，通過Utopia2總線接口到MPC8260的FCC1，MPC8260把接收到的信元，轉(zhuǎn)化為AAL5，解析RFC1483橋接協(xié)議，最后通過MPC8260的FCC2用以太網(wǎng)幀的方式發(fā)出.下行方向的信號流程為：從廣域網(wǎng)來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)幀的格式，到達MPC8260的FCC2，通過查找MAC地址表，找到其要到達的端口，通過MPC8260的FCC1，經(jīng)RFC1483封裝，轉(zhuǎn)化為AAL5，最后拆分為53字節(jié)的ATM信元，經(jīng)Utopia 2總線接口到PMC7350，以LVDS串行方式輸出.

2 ADSL網(wǎng)關的軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件基本分為底層驅(qū)動和鏈路層封裝及IP層軟件，同時包括對系統(tǒng)的操作維護管理模塊，對外提供SNMP網(wǎng)管接口.在采用IP OVER ATM OVER ADSL的系統(tǒng)方案時，數(shù)據(jù)包的封裝采用PPP OVER AAL5接口的格式.在用戶端設備采用以太網(wǎng)接口時，需要SAR的轉(zhuǎn)換，IP數(shù)據(jù)包采用AAL5格式，封裝用LLC／SNAP.在ATUR處，ATUR成為一個小的路由器，提供以太網(wǎng)和ATM端口的IP包的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).ATM的AAL5層，完成ATM數(shù)據(jù)包的適配功能，主要包括AAL5數(shù)據(jù)段的處理，數(shù)據(jù)包的分裝和重組功能SAR，信元頭的定界，F(xiàn)4／F5的OAM信息的提取，流量的映射等.

2.2 ATM－IP網(wǎng)關的協(xié)議棧設計

IP板主要完成ATM到IP的轉(zhuǎn)換，其網(wǎng)絡協(xié)議棧設計如圖2所示.

圖2 ADSL網(wǎng)關網(wǎng)絡協(xié)議棧

在ADSL寬帶接入系統(tǒng)協(xié)議棧中，由DSLAM完成的大部分功能要由ATM－IP網(wǎng)關來實現(xiàn).如ATM AAL5層的AAL5數(shù)據(jù)段的處理，數(shù)據(jù)包的分裝和組裝功能，SAR的轉(zhuǎn)換和IP數(shù)據(jù)包采用AAL5格式所用LLC／SNAP封裝的RFC1483協(xié)議，路由計算等.由于系統(tǒng)對協(xié)議轉(zhuǎn)換效率和處理速度、程序的可靠性有較高的要求，故采用高性能高效率的多任務實時操作系統(tǒng)VxWorks來完成系統(tǒng)的任務調(diào)度、內(nèi)存管理、定時管理、網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等.

2.3 Ethernet幀的接收和發(fā)送流程

1）接收Ethernet幀數(shù)據(jù)流程：

①檢查是否發(fā)生沖突，若發(fā)生沖突就丟棄該幀；若沒有沖突，進入下一步.

②檢查該幀的目的地址看是否可以接收該幀，若可以接收則進入下一步.

③檢查CRC校驗和LLC數(shù)據(jù)長度.若都正確就接收該幀，否則丟棄.

接收到的數(shù)據(jù)幀結構體定義如下：

2）發(fā)送Ethernet幀流程：

① 如果媒體空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則進行步驟②；

② 如果媒體忙，則繼續(xù)偵聽，一旦發(fā)現(xiàn)媒體空閑，就進行發(fā)送；

③如果在幀發(fā)送過程中檢測到?jīng)_突，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并隨即發(fā)送一個強化沖突的信號；

④發(fā)送了強化沖突信號后，等待一段隨機時間，再重新嘗試發(fā)送（返回步驟①）；

⑤如果在幀發(fā)送過程中一直沒有檢測到?jīng)_突，則發(fā)送成功.

發(fā)送數(shù)據(jù)結構定義如下：

3 總結

在ADSL網(wǎng)關的設計中，以該驅(qū)動程序為主的BSP軟件包的開發(fā)是本網(wǎng)關軟件開發(fā)的一個關鍵點之一，它是應用程序和硬件的轉(zhuǎn)接點.在開發(fā)中，充分考慮到VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)存管理、中斷服務、消息管理等方面的特點，利用MPC8260對 MMU（Memory Management Units）的支持來提高系統(tǒng)處理速度.在中斷處理中，利用消息隊列和優(yōu)化設計減小中斷服務程序的處理時間.此網(wǎng)關的設計可為電信級通信設備或醫(yī)療儀器等高科技產(chǎn)品的研發(fā)打下基礎，有一定的應用價值.

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