Linux下IEEE1394組網技術研究及實現

宋瑾，程子敬，閆文

（北京衛星信息工程研究所北京100086）

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據率為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；采用總線結構；支持熱插拔等特點。因此，基于IEEE1394的特點，這里提出一種Linux下IEEE1394組網技術的設計方案。

1 IEEE1394簡介

對于多媒體數據傳輸的高要求催生了IEEE1394（以下簡稱1394）的發展[1]。多媒體數據傳輸要具有實時性。單純圖形傳輸或網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、商業網以及Internet中的各種遠程系統，具有相同功能的1394產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產品獲得了強勁無比的競爭力。

1394具有如下特點[2]：

1）高速率IEEE1394-1995中規定速率為100～400 Mb/s。IEEE1394b的更高速度是800 Mb/s～3.2 Gb/s。其實400 Mb/s就可以滿足所有要求。現在通常可能達到的物理流LSI速度是200 Mb/s。另外，實際傳輸的數據一般都要經過壓縮處理，并不是直接傳輸原始視頻數據。因此200 Mb/s能夠滿足實際需要。但對多路數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，Fiber 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70 m。

4）總線結構1394是總線，不是I/O[3]。向各裝置傳送數據時，是按IEEE1212標準讀寫列入轉換的空間。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出請求。而USB總線上的設備則是等待主機發送請求，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總線的拓撲結構與USB相同，都是樹形結構。但IEEE1394b提出了一個避免環狀結構的方法，即使設備連接形成一個圓環時，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過第三個設備，那么數據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構和有限的電源管理。③總線管理器[4]可以設置根節點，提供總線拓撲結構，優化網絡的響應時間，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160 μs。

2 網絡地址轉換NAT原理

網絡地址轉換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絡外部的攻擊，隱藏并保護網絡內部的計算機。

借助于NAT，私有（保留）地址的“內部”網絡通過路由器發送數據包，私有地址被轉換成合法的IP地址，一個局域網只需使用少量外部IP地址即可實現私有地址網絡內所有計算機與Internet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。有些應用程序將源IP地址嵌入到IP報文的數據部分中，所以還需要同時對報文進行修改，以匹配IP頭中已經修改過的源IP地址。否則，在報文數據都分別嵌入IP地址的應用程序就不能正常工作。

NAT的實現方式有3種[5]，即靜態轉換（Static NAT）、動態轉換（Dynamic NAT）和端口多路復用（OverLoad）。

靜態轉換是指將內部網絡的私有IP地址轉換為公有IP地址，IP地址對是一對一的，某個私有IP地址只轉換為某個公有IP地址。借助于靜態轉換，可以實現外部網絡對內部網絡中某些特定設備（如服務器）的訪問；動態轉換是指將內部網絡的私有IP地址轉換為公用IP地址時，IP地址對是不確定的，所有被授權訪問Internet的私有IP地址可隨機轉換為任何指定的合法IP地址。也就是說，只要指定哪些內部地址可以進行轉換，以及用哪些合法地址作為外部地址時，就可以進行動態轉換。動態轉換可以使用多個合法外部地址集。當ISP提供的合法IP地址略少于網絡內部的計算機數量時，可以采用動態轉換的方式；端口多路復用是指改變外出數據包的源端口并進行端口轉換，即端口地址轉換PAT（Port Address Translation），采用端口多路復用方式。內部網絡的所有主機均可共享一個合法外部IP地址實現對Internet的訪問，從而可最大限度地節約IP地址資源。同時，又可隱藏網絡內部的所有主機，有效避免來自Internet的攻擊。因此，目前網絡中應用最多的就是端口多路復用方式。

NAT依賴于本地網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，它可以阻止外部網絡上的主機的惡意活動，這樣就可以阻止網絡蠕蟲病毒，提高本地系統的可靠性；阻擋惡意瀏覽，提高本地系統的私密性。同時，它也為UDP的跨局域網傳輸提供了方便。

3 內核支持模塊

Linux內核具有模塊化設計[6]。在引導時，只有少量的駐留內核被載入內存。這之后，無論何時用戶要求使用駐留內核中沒有的功能，相關的內核模塊（kernel module），有時稱驅動程序（driver），就會被動態地載入內存。

內核模塊不被編譯在內核中，因而控制內核大小。然而模塊一旦被插入內核，則與內核其他部分一樣。

內核模塊的實現機制是：啟動時，由函數void inti_modules（）初始化模塊，因為大多時啟動時很多時候沒有模塊。這個函數往往把內核自身當作一個虛模塊。如有系統需要，則調用一系列以sys開頭的函數，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，在內核中開始加入Linux Subsystem。

4 技術需求

為實現1394網絡與千兆以太網的互聯互通，需要組成1394網絡及研制1394網關。為組成1394網絡，需3臺具有1394接口的設備，構成最小的1394網絡；其中一臺設備具有千兆以太網接口，作為網關，實現1394網絡與千兆以太網的互聯互通。1394網絡組成框圖如圖1所示。

圖1 1394網絡組成框圖Fig.1 Block diagram of 1394 network

1394網關與1394設備使用帶有1394接口卡的計算機：X86處理器，操作系統為Windows或Linux。

5 1394組網實驗

1394組網實驗環境如下：

1）硬件環境PC機2臺，1394適配卡2塊，1394連接線纜（4針），以太網（外網，可訪問Internet）。

2）軟件環境操作系統為CentOS 5和Fedora 6。

3）網絡結構2臺PC用1394線纜連接，其中一臺PC連接外網，可通過以太網訪問Internet，另一臺無其他連接。

2臺PC機通過1394實現通信，且其中一臺PC可通過1394訪問外網。

實驗總體原理：通過編譯安裝相關模塊，實現“IP over 1394”，之后通過一系列配置，實現通過1394連接訪問外網。通信時，數據先被封裝成以太網下的標準包，再被封裝成符合1394標準的傳輸格式，傳到目標節點后，再進行相反順序的解包分析工作。

圖2說明了在Linux中IEEE1394的模塊組成關系。其中，OHCI1394-IEEE1394-eth1394-TCP/IP這條分支實現了1394的網絡功能，也就是IP over 1394。

圖2 1394模塊Fig.2 Modules of 1394

PC間通過1394連接實現網絡通信的原理圖如圖3所示。2臺PC的通信所使用的方式還是IP模式下的，只是物理連接變成了1394高速連接，而實現IP與1394之間聯系的是一個轉換模塊。

圖3 1394網絡通信圖Fig.3 Block diagram of 1394 network communication

圖4顯示該轉換模塊所做的工作。通過轉換包的結構，使包的格式在兩種情況下轉換，就可以實現用1394傳輸，用IP操作。

為了在PC間建立通信，需要先使用ARP協議尋找目標機的物理地址，這就需要發出ARP請求并接受ARP響應。

圖4 轉換Fig.4 Conversion

圖5是1394的ARP包的格式。Hardware_type：硬件類型，針對于1394，這里就是0x0018；Protocol_type：協議類型，針對1394的ARP，該值是0x0800；Opcode：值1代表請求，值2代表響應；Sender_unique_ID：發送者的ID；Sender_IP_address：發送者的IP地址；Target_IP_address：目標IP地址。通過使用ARP協議獲得目標物理地址后，就可建立通信連接。

圖5 1394ARP包格式Fig.5 Format of 1394 ARP package

1394網關的配置可將1394網關看成是1394網絡與以太網之間的路由器。在配置1394網關時，使用NAT技術，使該網關具有類似于以太網中內外網之間路由器的功能。

PC可相互Ping通，且未與外網直接連接的PC可通過另一臺作為1394網關的PC訪問外網，且網速較快。通過1394訪問新浪網站時，用抓包軟件WireShark可以抓到鏈接到新浪網的HTTP包與TCP包。

6 結論

通過努力，現在所取得的成果主要有：1）實現1394的Linux下組網，1394內部網絡互相訪問；2）實現1394網絡與以太網的融合。通過一系列的安裝配置，可以使1394網絡與以太網連成一體，用戶可以像在以太網中一樣，進行訪問各類網站，建立Ftp連接等正常網絡活動；3）對1394網絡性能進行了多方面的測試實驗，對1394網絡性能的影響因素進行了初步的總結。后續應深化和完善1394整體性能，進一步提升通信速率。造成實驗測試速率偏低的原因：PC性能限制，1394線纜質量等，以及內核版本較舊，緩沖區偏小等。

[1]IEEE standard Board.IEEE standard for a high performance serial bus[S].IEEE Std 1394-1995.

[2]Anderson D.Fire Wire系統體系[M].2版.北京：中國電力出版社，2001.

[3]張大樸，王曉.IEEE-1394協議及接口設計[D].西安：西安電子科技大學，2004.

[4]趙雪巖.微機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]李世平，戴凡.IEEE-1394（Fire Wire）系統原理與應用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[6]徐松良.IEEE1394物理層IP核的設計[D].天津：天津大學，2007.