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基于ATM的ADSL网关的研究与实现
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图3：ADSL网关的协议栈
在图3中，AAL5是ATM适配层，RFC1483是ATM适配层第五类型的多协议封装规范，描述了在ATM端系统中怎样在主机、桥设备和路由设备之间承载多协议业务。在ADSL网关中，根据ITU的协议规范，信号经过一系列变换以ATM信元的形式输出，因此我们要在ATM适配层的基础上将信号变成上层协议能够识别的包，从而决定该包是否转发，丢弃或者接收。根据RFC1483协议，有两种多协议封装的形式，一种是LLC封装多协议，即LLC-SNAP模式，在同一个VC上承载多协议，协议类型包含在LLC头中，另一种是VC-MUX模式，不同的协议使用不同的VC,则不需要在协议头中指明协议类型，而具体哪一个VC承载哪一种协议则是在链路初始化的时候确定，这种方法降低了链路开销，但在虚拟连接数量有限的情况下多数还是使用LLC复用。实现这个功能是通过在Linux内核中加载PPPOA模块来实现的。
PPP包中包括三种类型的信息：
* Link Control Protocol(LCP) 用来协商链路参数，包的大小，以及认证类型
* Network Control Protocol(NCP) 指明高层协议的信息，可以是IP、IPX及其控制协议。
* 数据帧
ADSL遵循的协议是基于ATM的，也就是在物理层是在电话线上调制高速数据信号，RS编码，扰码等一些物理层的协议，在物理层以上是以ATM信元格式输出的，而对于ADSL网关来说，PPP over ATM Adaption Layer 5(AAL5) RFC2364是用AAL5作为成帧协议，支持PVC,SVC, PPPOA是ADSL协议栈的基本部分，它依赖于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用户端设备(CPE)封装PPP包的过程就是以PPPOA协议来进行ADSL环路和DSLAM上传输数据的。AAL5的公共部分汇集子层（CPCS）的协议数据单元如图4所示：
其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5协议的数据部分，最大为216-1个字节，这是因为在下面的二字节的LENGTH域中限定的。PAD中有48个字节，刚好为一个信元的数据域，由SAR(分段重组)子层生成，CPI域是为了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填补上去的，CRC采用32位的循环冗余校验码。
在我们的ADSL网关设计中，考虑到有限的虚拟连接的数量，我们采用的是LLC封装多协议的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如图4所示。包括：
* LLC头：3字节，其中两个字节指定了一个目的SAP(0xFE)和源SAP(0xFE)，后面是帧类型，为Un-numbered Information=0x03
* Network Layer protocol Identifier(NLPID)，这里使用的是PPP，其类型值为0xCF
* PPP协议标识域为一和二字节
* PPP信息域
* PPP填充域
对于局域网内的用户通过以太网口和Wireless LAN的天线与网关互联，其中以太网和Wireless LAN使用不同的网段，网关要做的事情是看用户的IP包，如果是发往本局域网的，那要看是不是同一个网段的，如果是则丢弃，如果不是则发向另一网段，也就是说在本地的包业务通信中，起了一个桥接的作用。如果不是发向本局域网，而是发向广域网的包则通过PPP端口转发，实现其路由功能。以太网的驱动程序和WLAN驱动程序在Linux中也是作为一个可载入模块加载到Linux内核中。
为了实现应用网关功能，在应用层我们还根据实际需要实现了基于IP地址过滤的防火墙，网络地址解析，简单网络管理，动态主机地址分配，和WEB服务器，
重新编译内核时去掉对硬盘，鼠标，显卡，键盘的支持，只保留一个简单的文件系统，并放在Flash上，这样可以在线升级网关操作系统。内核的核心主要是进行内存管理，启动和中断。将PPPOA模块、以太网以及WLAN驱动模块编译进内核，内核程序与网络设备接口间采用消息驱动方式，三个模块对应三个消息队列和三个通信例程，每个例程负责监听相应端口的数据（对应一个消息队列），当接受到消息时，使进程转入处理程序，进行内存刷新、加工数据帧头、发送消息等工作，消息队列如果没有消息存在，该进程就释放CPU给其它进程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外设的I/O空间要映射到物理内存空间，所以要在TLB中锁定这些内存，在为三个PCI设备进行内存分配时，要判断分配的内存空间是否与锁定的内存空间重叠。另外我们在硬件设计上使用了串口(RS-232)作为调试接口，可以在shell中测试系统命令，运行应用程序，或用GDB对应用程序进行调试，另外shell还用于对系统进行配置。配置包括配置全局参数对网关的命令行接口，需要配置拨号PPP over ATM端口、以太网和WLAN端口。在配置前需要确认ADSL线路与DSLAM连接，要有一个静态IP地址或者由ISP负责动态IP地址分配。网关在启动时，BIOS上电自检，加载文件系统，引导网关操作系统，ADSL线路进行握手操作，初始化链路，进入SHOWTIME。
三、 进一步的工作及展望
ADSL网关集ADSL modem 和应用网关于一体，既完成ADSL接入的模拟的调制解调工作，又在此基础上实现了资源共享，简单网络管理以及网络安全方面的功能等，是一种有着广泛应用前景的技术
编辑：小宇
在图3中，AAL5是ATM适配层，RFC1483是ATM适配层第五类型的多协议封装规范，描述了在ATM端系统中怎样在主机、桥设备和路由设备之间承载多协议业务。在ADSL网关中，根据ITU的协议规范，信号经过一系列变换以ATM信元的形式输出，因此我们要在ATM适配层的基础上将信号变成上层协议能够识别的包，从而决定该包是否转发，丢弃或者接收。根据RFC1483协议，有两种多协议封装的形式，一种是LLC封装多协议，即LLC-SNAP模式，在同一个VC上承载多协议，协议类型包含在LLC头中，另一种是VC-MUX模式，不同的协议使用不同的VC,则不需要在协议头中指明协议类型，而具体哪一个VC承载哪一种协议则是在链路初始化的时候确定，这种方法降低了链路开销，但在虚拟连接数量有限的情况下多数还是使用LLC复用。实现这个功能是通过在Linux内核中加载PPPOA模块来实现的。
PPP包中包括三种类型的信息：
* Link Control Protocol(LCP) 用来协商链路参数，包的大小，以及认证类型
* Network Control Protocol(NCP) 指明高层协议的信息，可以是IP、IPX及其控制协议。
* 数据帧
ADSL遵循的协议是基于ATM的，也就是在物理层是在电话线上调制高速数据信号，RS编码，扰码等一些物理层的协议，在物理层以上是以ATM信元格式输出的，而对于ADSL网关来说，PPP over ATM Adaption Layer 5(AAL5) RFC2364是用AAL5作为成帧协议，支持PVC,SVC, PPPOA是ADSL协议栈的基本部分，它依赖于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用户端设备(CPE)封装PPP包的过程就是以PPPOA协议来进行ADSL环路和DSLAM上传输数据的。AAL5的公共部分汇集子层（CPCS）的协议数据单元如图4所示：
其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5协议的数据部分，最大为216-1个字节，这是因为在下面的二字节的LENGTH域中限定的。PAD中有48个字节，刚好为一个信元的数据域，由SAR(分段重组)子层生成，CPI域是为了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填补上去的，CRC采用32位的循环冗余校验码。
在我们的ADSL网关设计中，考虑到有限的虚拟连接的数量，我们采用的是LLC封装多协议的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如图4所示。包括：
* LLC头：3字节，其中两个字节指定了一个目的SAP(0xFE)和源SAP(0xFE)，后面是帧类型，为Un-numbered Information=0x03
* Network Layer protocol Identifier(NLPID)，这里使用的是PPP，其类型值为0xCF
* PPP协议标识域为一和二字节
* PPP信息域
* PPP填充域
对于局域网内的用户通过以太网口和Wireless LAN的天线与网关互联，其中以太网和Wireless LAN使用不同的网段，网关要做的事情是看用户的IP包，如果是发往本局域网的，那要看是不是同一个网段的，如果是则丢弃，如果不是则发向另一网段，也就是说在本地的包业务通信中，起了一个桥接的作用。如果不是发向本局域网，而是发向广域网的包则通过PPP端口转发，实现其路由功能。以太网的驱动程序和WLAN驱动程序在Linux中也是作为一个可载入模块加载到Linux内核中。
为了实现应用网关功能，在应用层我们还根据实际需要实现了基于IP地址过滤的防火墙，网络地址解析，简单网络管理，动态主机地址分配，和WEB服务器，
重新编译内核时去掉对硬盘，鼠标，显卡，键盘的支持，只保留一个简单的文件系统，并放在Flash上，这样可以在线升级网关操作系统。内核的核心主要是进行内存管理，启动和中断。将PPPOA模块、以太网以及WLAN驱动模块编译进内核，内核程序与网络设备接口间采用消息驱动方式，三个模块对应三个消息队列和三个通信例程，每个例程负责监听相应端口的数据（对应一个消息队列），当接受到消息时，使进程转入处理程序，进行内存刷新、加工数据帧头、发送消息等工作，消息队列如果没有消息存在，该进程就释放CPU给其它进程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外设的I/O空间要映射到物理内存空间，所以要在TLB中锁定这些内存，在为三个PCI设备进行内存分配时，要判断分配的内存空间是否与锁定的内存空间重叠。另外我们在硬件设计上使用了串口(RS-232)作为调试接口，可以在shell中测试系统命令，运行应用程序，或用GDB对应用程序进行调试，另外shell还用于对系统进行配置。配置包括配置全局参数对网关的命令行接口，需要配置拨号PPP over ATM端口、以太网和WLAN端口。在配置前需要确认ADSL线路与DSLAM连接，要有一个静态IP地址或者由ISP负责动态IP地址分配。网关在启动时，BIOS上电自检，加载文件系统，引导网关操作系统，ADSL线路进行握手操作，初始化链路，进入SHOWTIME。
三、 进一步的工作及展望
ADSL网关集ADSL modem 和应用网关于一体，既完成ADSL接入的模拟的调制解调工作，又在此基础上实现了资源共享，简单网络管理以及网络安全方面的功能等，是一种有着广泛应用前景的技术
编辑：小宇
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