摘要：針對衛(wèi)星和各種空間飛行器上儀器設備的數(shù)據(jù)處理能力的需求將成倍的增長，采用速率達400 Mb/s的IEEE1394高速串行總線，將成為未來星載高速總線的首選。研究了IEEE1394技術及NAT技術，并組建樹形拓撲結構的基于IEEE1394連接的Linux環(huán)境下的高速局域網(wǎng)，同時局域網(wǎng)中的節(jié)點可以訪問外網(wǎng)。實驗結果驗證1394組網(wǎng)技術。

　　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(shù)據(jù)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，基予IEEE1394的特點，這里提出一種Linux下IEEE1394組網(wǎng)技術的設計方案。

　　1 IEEE1394簡介

　　對于多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭蟠呱薎EEE1394(以下簡稱1394)的發(fā)展。多媒體數(shù)據(jù)傳輸要具有實時性。單純圖形傳輸或網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)以及Internet中的各種遠程系統(tǒng)，具有相同功能的1394產(chǎn)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(chǎn)品獲得了強勁無比的競爭力。

　　1394具有如下特點：

　　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400Mb／s就可以滿足所有要求?，F(xiàn)在通常可能達到的物理流LSI速度是200Mb／s。另外，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般都要經(jīng)過壓縮處理，并不是直接傳輸原始視頻數(shù)據(jù)。因此200Mb／s能夠滿足實際需要。但對多路數(shù)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，F(xiàn)iber 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70m。

　　4)總線結構：1394是總線，不是I／O。向各裝置傳送數(shù)據(jù)時，是按IEEE1212標準讀寫列入轉換的空間?？傊瑥纳弦粚涌?，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(fā)出請求。而USB總線上的設備則是等待主機發(fā)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(huán)狀結構的方法，即使設備連接形成一個圓環(huán)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(jīng)過第三個設備，那么數(shù)據(jù)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(jīng)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(jié)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總線管理器可以設置根節(jié)點，提供總線拓撲結構，優(yōu)化網(wǎng)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(jié)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(jié)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160μs。

　　2 網(wǎng)絡地址轉換NAT原理

　　網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡外部的攻擊，隱藏并保護網(wǎng)絡內(nèi)部的計算機。

　　借助于NAT，私有(保留)地址的“內(nèi)部”網(wǎng)絡通過路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包，私有地址被轉換成合法的IP地址，一個局域網(wǎng)只需使用少量外部IP地址即可實現(xiàn)私有地址網(wǎng)絡內(nèi)所有計算機與Intemet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?qū)⒃碔P地址嵌入到IP報文的數(shù)據(jù)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(jīng)修改過的源IP地址。否則，在報文數(shù)據(jù)都分別嵌入IP地址的應用程序就不能正常工作。

　　NAT的實現(xiàn)方式有3種，即靜態(tài)轉換(Slatic NAT)、動態(tài)轉換(Dynamic NAT)和端口多路復用(OverLoad)。靜態(tài)轉換是指將內(nèi)部網(wǎng)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(tài)轉換，可以實現(xiàn)外部網(wǎng)絡對內(nèi)部網(wǎng)絡中某些特定設備(如服務器)的訪問；動態(tài)轉換是指將內(nèi)部網(wǎng)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Intemet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(nèi)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(tài)轉換。動態(tài)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(wǎng)絡內(nèi)部的計算機數(shù)量時，可以采用動態(tài)轉換的方式；端口多路復用是指改變外出數(shù)據(jù)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(nèi)部網(wǎng)絡的所有主機均可共享一個合法外部IP地址實現(xiàn)對Intemet的訪問。從而可最大限度地節(jié)約IP地址資源。同時，又可隱藏網(wǎng)絡內(nèi)部的所有主機，有效避免來自Internet的攻擊。因此。目前網(wǎng)絡中應用最多的就是端口多路復用方式。

　　NAT依賴于本地網(wǎng)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(wǎng)絡上的主機的惡意活動，這樣就可以阻止網(wǎng)絡蠕蟲*，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，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)核具有模塊化設計。在引導時，只有少量的駐留內(nèi)核被載入內(nèi)存。這之后，無論何時用戶要求使用駐留內(nèi)核中沒有的功能，相關的內(nèi)核模塊(kemel module)，有時稱驅(qū)動程序(driver)，就會被動態(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)核模塊的實現(xiàn)機制是：啟動時，由函數(shù)voidinti_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(shù)往往把內(nèi)核自身當作一個虛模塊。如有系統(tǒng)需要，則調(diào)用一系列以sys開頭的函數(shù)，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(nèi)核中開始加入Linux Subsystem。

　　4 技術需求

　　為實現(xiàn)1394網(wǎng)絡與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，需要組成1394網(wǎng)絡及研制1394網(wǎng)關。為組成1394網(wǎng)絡，需3臺具有1394接口的設備，構成最小的1394網(wǎng)絡；其中一臺設備具有千兆以太網(wǎng)接口，作為網(wǎng)關，實現(xiàn)1394網(wǎng)絡與千兆以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。1394網(wǎng)絡組成框圖如圖1所示。

圖1 1394網(wǎng)絡組成框圖

　　1394網(wǎng)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(tǒng)為Windows或Linux。

　　5 1394組網(wǎng)實驗

　　1394組網(wǎng)實驗環(huán)境如下：

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

　　2)軟件環(huán)境操作系統(tǒng)為CentOS 5和Fedora 6。

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

　　2臺PC機通過1394實現(xiàn)通信，且其中一臺PC可通過1394訪問外網(wǎng)。

　　實驗總體原理：通過編譯安裝相關模塊，實現(xiàn)“IP over1394”，之后通過一系列配置，實現(xiàn)通過1394連接訪問外網(wǎng)。通信時，數(shù)據(jù)先被封裝成以太網(wǎng)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(jié)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(xiàn)了1394的網(wǎng)絡功能，也就是IP over 1394。

圖2 1394模塊

　　PC間通過1394連接實現(xiàn)網(wǎng)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(xiàn)IP與1394之間聯(lián)系的是一個轉換模塊。

圖3 1394網(wǎng)絡通信圖

　　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(xiàn)用1394傳輸，用IP操作。

圖4 轉換

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

　　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(xié)議類型，針對1394的ARP，該值是0x0800；Opeode：值1代表請求，值2代表響應；Sender_unique_ID：發(fā)送者的ID；Sender_IP_address：發(fā)送者的IP地址；Target_IP_a-ddress：目標IP地址。通過使用ARP協(xié)議獲得目標物理地址后，就可建立通信連接。

圖5 1394的ARP包的格式

　　1394網(wǎng)關的配置可將1394網(wǎng)關看成是1394網(wǎng)絡與以太網(wǎng)之間的路由器。在配置1394網(wǎng)關時，使用NAT技術，使該網(wǎng)關具有類似于以太網(wǎng)中內(nèi)外網(wǎng)之間路由器的功能。

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

　　6 結論

　　通過努力，現(xiàn)在所取得的成果主要有：1)實現(xiàn)1394的Linux下組網(wǎng)，1394內(nèi)部網(wǎng)絡互相訪問；2)實現(xiàn)1394網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的融合。通過一系列的安裝配置，可以使1394網(wǎng)絡與以太網(wǎng)連成一體，用戶可以像在以太網(wǎng)中一樣，進行訪問各類網(wǎng)站，建立Ftp連接等正常網(wǎng)絡活動；3)對1394網(wǎng)絡性能進行了多方面的測試實驗，對1394網(wǎng)絡性能的影響因素進行了初步的總結。后續(xù)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(zhì)量等，以及內(nèi)核版本較舊，緩沖區(qū)偏小等。