（信号与信息处理专业论文）基于windowsce平台的千兆以太网测试仪软件设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 为了满足诸如大型分布式数据库和高速的视频图像传输服务的巨大带宽要求， 不能胜任的百兆以太网已经逐渐被千兆以太网取代。后者目前主要应用在数据网 络的骨干位置，也用于连接一些高端的数据库服务器，企业局域网的建设也千兆 以太网技术作为首选。组网、建网、运营和维护阶段都需要对网络性能进行实时 评估和分析，而评估和分析的过程离不开网络测试仪。 嵌入式系统技术的发展使手持式仪表具有实时可靠性的同时，可以配置比以往 更多元化的功能，而又由于其便携性，手持式仪表在网络测试中占有越来越重要 的地位。 本文的研究内在呈w i n d o w sc e 平台下千兆以太网测试仪的软件设计。首先， 本文对测试对象千兆以太网及其基本技术作了简单介绍。由于论文所叙述的测试 仪软件是工作于嵌入式系统中的，并且软件的开发过程是基于w i n d o w sc e 平台下 一， 的，因此软件的开发过程既要考虑嵌入式系统的硬件资源特点，又要兼顾除与桌 面w i n d o w s 的共同点之外w i n d o w sc e 操作系统的特性。所以，接下来本文描述 了嵌入式系统和嵌入式操作系统架构，特别重点地解释了w i n d o w sc e 内核中各主 要模块的特性机制。 面向确定的测试仪功能，本文提出了软件设计思路，包括对软件整体架构的划 分和模块的定义，测试功能层的定义和软硬件交互部分的设计，文件存储空间的 评估和数据的管理，以及与测试结果显示相关的绘图操作。此外，本文简单提及 了网络层相关的测试实现机理。附带地，本文说明了与w i n d o w sc e 平台下的软件 开发过程密不可分的两项任务，即w i n d o w sc e 操作系统定制和s d k 创建。最后 文章从软件开发的角度指出了仪表未来的功能扩展方向。 关键词：千兆以太网，r f c2 5 4 4 ，流量统计，w i n d o w sc e ，功能模块 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t g i g a b i te t h e m e ti ss u p e r s e d i n gt h eo n e o f10 0m b i t ，f o rt h el a t t e r si n c o m p e t e n c e f o rp r o v i d i n gb a n d w i d t hr e q u i r e db y ，f o re x a m p l e ，l a r g e s c a l ed i s t r i b u t e dd a t a b a s ea n d m 曲一s p e e ds e r v i c eo fv i d e oi m a g et r a n s m i s s i o n a tp r e s e n t ，g i g a b i te t h e m e ti sm a i n l y t h eb a c k b o n eo fd a t an e t w o r ka n dt h ew a yo fc o n n e c t i o nb e t w e e ns o p h i s t i c a t e dd a t a b a s e s e r v e r s f u r t h e r m o r e ，g i g a - b i te t h e m e tt e c h n o l o g yi sp r e f e r r e di nt h ed e p l o y m e n to f e n t e r p r i s el a n p l a n n i n g ，d e p l o y i n g ，m a n a g i n ga n dm a i n t a i n i n gn e t w o r k sr e q u i r er e a l t i m ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n da n a l y s i s ，w h i c hi n e v i t a b l yn e e ds u p p o r to fn e t w o r k t e s t e r s d u et ot h eu p g r a d i n go fe m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ，i tb e c o m e sp o s s i b l et h a t h a n d h e l dt e s t e r sc a r r yf u n c t i o nm o d u l e so fm o r ek 矗d si n t oe x e c u t i o n w h i l ek e e p i n g t h e i ri n t r i n s i cq u a l i t yo fb e i n gr e a lt i m ea n dr e l i a b l e a d d i t i o n a l l yw i t ht h e i rp o r t a b i l i t y ， t e s t sh a n d h e l dt e s t e r sp l a yar o l ew h i c hi sm o r es i g n i f i c a n tt h a ne v e ri nt e s t s w h a tt h i sa r t i c l et a l k sa b o u ti st h es o f t w a r ed e s i g no fg i g a - b i te t h e m e tt e s t e ri n w i n d o w sc e a st h eo b j e c to ft e s t s ，a tf i r s ti nt h ea r t i c l eg i g a - b i te t h e r n e ta n di t s f o u n d a t i o n a lt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e di nb r i e f c o d e db a s e do nw i n d o w sc ea n d w o r k i n gi ne m b e d d e ds y s t e m ，b o t hp e c u l i a r i t i e so fe m b e d d e dh a r d w a r er e s o u r c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fw i n d o w sc es h o u l db er e f e r e n c e di nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n f o rt h er e a s o nt h a tt h et e s t e r ss o f t w a r ei sc o d e d b a s e do nw i n d o w sc ea n dw o r k i n gi n e m b e d d e ds y s t e m s ot h e nt h ea r t i c l ed e p i c t st h ef r a m e w o r ko fe m b e d d e ds y s t e ma n d e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e s p e c i a l l yf o c u s i n gt h ep o i n to nt h ee x t r a o r d i n a r y m e c h a n i s m so fe v e r yw i n d o w sc ek e r n e lm o d u l e a c c o r d i n gt oc e r t a i nf u n c t i o n so ft h et e s t e r ，t h ea r t i c l ed r a w st h eb l u e p r i n to ft h e s o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h em o d u l a r i z a t i o n ，t h ed e f i n i t i o no ft e s t f u n c t i o nl a y e rw i t ht h e d e s i g no fc o o p e r a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，e v a l u a t i o no fs t o r a g ef o rf i l e s w i t hd a t am a n a g e m e n ta n df i n a l l yt h eg r a p h i co p e r a t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i s p l a yo f t e s tr e s u l t m o r e o v e r ，i ns h o r tw o r d st h ea r t i c l em e n t i o n st h ei m p l e m e n tm e c h a n i s mo f t e s t si nn e t w o r kl a y e r b yw a yo fp a r e n t h e s i s ，t w on e c e s s a r yt a s k si nt h ep r o c e s so f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，i e w i n d o w sc eo sc u s t o m i z a t i o na n ds d kb u i l d i n g ，a r e i l l u s t r a t e d a tl a s t ，f r o mt h ep o i n to fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h e t e s t e r se x t e n d e df u n c t i o nt ob er e s e a r c h e do ni nt h ef u t u r e i l 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：g i g a - b i te t h e m e t ，r f c2 5 4 4 ，t r a f f i cs t a t i s t i c s ，w i n d o w sc e ，f u n c t i o n m o d u l e h i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语对照表 缩略语对照表 简写全称中文名 b s pb o a r d s u p p o r tp a c k a g e 板卡支持包 c r c c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 c sc l i e n t s e r v e r客户服务器 c s m a c d c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n载波监听多路访问 d e t e c t冲突检测 d o md o c u m e n to b je c tm o d e l文档对象模型 d l l d y n a m i cl i n kl i b r a r y 动态链接库 d s a p d e s t i n a t i o ns e r v i c ea c c e s sp o i n t 目的服务访问点 d u td e v i c eu n d e rt e s t 待测设各 e d o m e n c a p s u l a t e dd o c u m e n t0 b j e c tm o d e l封装的文档对象模 型 e v c e m b e d d e dv i s u a lc + +嵌入式v c + + 开发平 厶 口 g w e s g r a p h i cw i n d o w i n g a n de v e n t图像窗口和事件子 s u b s y s t e m 。 系统 i c m p i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l互联网控制信息协 议 i e e ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s国际电气和电子工 e n g i n e e r s程师协会 i e t fi n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c ei n t e m e t 工程任务组 i p i n t e m e tp r o t o c o l互联网协议 i p xi n t e m e tp a c k e te x c h a n g e互联网包交换( 协 议) m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体访问控制 m f cm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s微软基础类 n d i sn e t w o r kd r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n网络驱动接口规范 o a lo e m a d a p t a i o nl a y e r原始设备制造商适 配层 i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语对照表 o e m o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r 原始设备生产商 p bp l a t f o r i i lb u i l d e rw i n d o w sc e 内核定 制工具，可以用作简 单的应用程序、驱动 程序开发 p s lp r o t e c t e ds e r v e rl i b r a r y受保护的服务器库 s d ks o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t软件开发包 s s a ps o u r c es e r v i c ea c c e s sp o i n t源服务访问点 s n m p s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l 简单网络管理协议 s n t p s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c o l简单网络时间协议 t c p 【pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e t传输控制协议互联 p r o t o c o l网络协议 v l a nv i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k虚拟局域网 w f qw e i g h t e df a i rq u e u i n g加权公平队列 x 口 e x e c u t ei np l a c e本地执行 x m l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e扩展标记语言 v i ， 绪论 绪论 千兆以太网应用范围的扩大与嵌入式系统技术的发展共同作用，促使网络建 设、运营和维护人员提出了对手持式千兆以太网测试仪的质与量同样高的要求。 基于对千兆以太网技术的了解和对嵌入式系统架构以及w i n d o w sc e 内核特性机 制的掌握，本文描述了w i n d o w sc e 平台下的干兆以太网测试仪软件部分的设计。 结合对嵌入式系统硬件资源的考虑以及对w i n d o w sc e 内核特性机制的参考， 其中主要包括内存管理、进程与线程管理和文件管理的特点，本文详细阐明了软 件的整体结构的划分、数据管理的方式、软硬件交互的模式以及多线程的设计， 另外，还包括图形操作的描述与实现。软硬件交互的模式设计，也就是测试功能 层的详细设计，需要充分参考网络测试规范的描述，包括r f c2 5 4 4 以及其他流量 统计、流量生成的标准。 目前，市面上针对千兆以太网的测试仪中，应用广泛的主要是国外设计和生产 的，国内的通信测试仪表制造商在此领域处于相对落后的地位。本文所基于的项 目旨在从技术层面打破诸如a g i l e n t 和f l u k e 的垄断局面，尤其从基于w i n d o w s c e 平台的千兆以太网测试仪软件设计的角度展开探索，以期为将来国内的手持式 通信仪表提供软件设计方面的参考。 接下来的两章对论文涉及的一些背景知识和概念作简单介绍，主要包括以太网 和千兆以太网的基本技术，嵌入式系统架构和w i n d o w sc e 操作系统概况以及其影 响软件设计的各内核模块原理。 重庆邮电大学硕士论文 2 第一章以太网和千兆以太网 第一章以太网和千兆以太网 以太网( e t h e m e t ) 技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个 人计算机以3m 的速率连接起来。实验网络的成功建立和突出表现引起了d e c 、 i n t e l 、x e r o x 三家公司的注意。这三家公司借助该实验网络的经验，在1 9 8 0 年发 布了第一个以太网协议标准建议书。建议书的核心思想是，在一个1 0m 带宽的共 享物理介质上把最多10 2 4 个计算机和其他数字设备进行连接。当然，这些设备之 间的距离不能太大，最大2 5 公里。之后，以太网技术在1 9 8 0 年建议书的基础上 逐渐成熟和完善，并逐渐占据了局域网的主导地位【1 】。 1 1 以天网帧结构 总得来说，测试仪测试功能的实现基于对网络数据的分析，因此对数据格式的 了解是网络测试以及数据分析的前提。下面简单描述以太网帧结构。 以下是分别由r f c8 9 4 和i e e e8 0 2 定义的两种帧格式。 以太网封装 22 8 1 0 i 目的地址j 源地址l 类型i 数据 c r c i 鲞罴i i p 数据报 l 鸺0 0i 一 2 “l 1 鬻l 一爹膻f 。i 22 81 0 l 篓l ：兰 圈 22 8 图1 1 的封装格式和 3 的封装格式 一 一 一d 一 一d 一 一报i i i i 一 要馨墅 一 一 一请答一船一母j；一 一腰一一一一答一勰一一髂一 匿：匿：臣 重庆邮电大学硕士论文 如图1 1 的两种封装格式所示，对于r f c8 9 4 定义的“以太网的封装格式”， “类型字段的值大于1 5 0 0 ，指示帧的数据部分的类型，即说明数据帧是哪个上 层协议( i p 、i p x 、d e c n e t 、n e t b e u i 等) 的数据单元，这种结构是目前比较流 行的，也被称作e t h e m e ti i 。正是由于这个字段的值大于1 5 0 0 ，使此帧类型区别 于其他类型。对应r f c8 9 4 定义的封装格式的“类型 字段是i e e e8 0 2 封装格式 中值小于1 5 0 0 的“长度 字段，此字段指示它后续数据的字节长度，但不包括c r c 校验码。i e e e8 0 2 2 8 0 2 3s a p 帧通过d s a p 和s s a p 中的固定位来判断数据部分 的类型；i e e e8 0 2 2 8 0 2 3s n a p 帧的d s a p 、s s a p 以及“控制”字段被设置为区 别于i e e e8 0 2 2 8 0 2 3s a p 帧的固定值，并通过另外开辟的“类型字段指示数据 部分的类型1 2 】。 1 2 以太网交换机 作为以太网结构体系中的重要设备，以太网交换机是进行链路层测试的主要对 象，也是进行链路层数据采集的主要网络位置所在。除此之外，还有网络层测试 的主要对象路由器。结下来对以太网交换机作一个概述。 从外观上看，以太网交换机跟h u b 差不多，也是一个多端口盒子，端口的数 目一般比h u b 多( 2 4 个或更多) 。在内部结构上，以太网交换机比h u b 复杂得 多，h u b 内部实际上是一条共享的总线，各个端口共享该总线进行c s m a c d 方 式的通信，而虽然以太网交换机内部也可能是一条总线，但该总线带宽要比h u b 高得多，足以让全部端口同时相互通信而没有阻塞。性能更高的交换机内部可能 是一个交换网络，完成任意端口之间的两两交换【l j 。 如图1 2 所示，以太网交换机使用一条高速背板总线把各个端口连接起来。实 际上，这个背板总线可能是一个高性能的数字交叉网络。值得注意的是，各个端 口针对接收线路和发送线路，各设置一个缓冲队列。当终端设备向交换机发送数 据时，数据暂存在交换机的接收队列中，然后进行下一步处理。如果交换机要把 接收的数据发送给终端，它把要发送的数据发往该接收终端所在端口的发送队列， 然后发送到接收终端，如果终端忙，则一直存储在发送队列中。 另外，对每个端口的发送队列结构进行更改可以实现服务质量功能。例如，我 们为每个接口设计不止一个发送队列，这里假设设置三个，则可以对这三个队列 进行优先级划分，分成低、中、高三个优先级，然后根据数据帧的优先级字段， 把数据帧放到相应的优先级队列中。在传输的时候，可以优先传输高优先级队列， 等高优先级队列内没有数据了再传送低优先级队列。基于此还可以实现一些其他 4 第一章以太网和千兆以太网 的调度策略，例如w f q 等调度技术。 物理接口 图1 2 以太网交换机的内部结构示意图 交换机跟h u b 的最大区别就是能完成端口到端口的转发。比如，接收到一帧 数据后，交换机会根据帧头的目的m a c 地址发送到适当的端口，而h u b 则不然， 它把接收到的数据帧向所有端口转发。交换机之所以能做到根据m a c 地址进行端 口选择，完全依赖内部的一个重要的数据结构：c a m 表。交换机接收到一帧数据， 根据目的m a c 地址查找c a m 表，查找的结果是一个或一组端口，再根据查找的 结果把数据帧送到相应端口的发送队列。 c 蝴表包含下面几项内容： m a c 地址： 一个或一组端口号； 如果交换机上划分了v l a n ，还包括v l a ni d 。 1 3v l a n v l a n 功能验证是测试仪的重要功能之一，因此这里用接下来的内容涵盖 v l 州的基本原理。 如前所述，以太网交换机一般有十几个或几十个端口，默认情况下，连接到这 些端口的终端能够无阻隔的进行二层通信。有些情况下，某些端口上的终端希望 不被其他端口上的终端访问，而默认的工作方式不能胜任，因此需要引入这样一 种功能：可以把交换机上任意数目的端口进行组合，这些组合的端口成为一个封 重庆邮电大学硕士论文 闭的系统，连接到该封闭系统( 即端口集合) 的终端可以通信，但与不在该封闭 系统内的终端无法进行二层通信。这个组合的概念便是v l a n 。 1 3 1v l a n 的划分 按照前面的描述性定义，v l a n 实际上是交换机上的一个集合，元素是端口， 用一个整数来表示集合。既然涉及集合，当然就要解决集合划分，这里用表：v l a n 的划分方式概括确定集合元素的最重要的几种方式。 表1 1v l a n 的划分方式 划分方式描述 基于端口根据需要，手工指定手工v l a n 包含哪些端口。这种方式最简单 也最容易理解。 基于m a c 地基于m a c 地址标识的终端的分类，此即依据要求的m a c 地址与 址v l a n 的对应关系以及c a m 表中的m a c 地址与端口的一一对应 关系建立起v l a n 跟端口号之间的对应关系。 基于第三层协为了除去非必要的协议数据产生的大量广播包以节省资源，建立 议 上层协议于v l a n 之间的对应关系，此即读取来自端口的数据帧 中的类型字段，判断其是否属于预想要的值( 如口x ) ，以此决 定是否将该端口加入指定v l a n 。 基于组播组建立组播m a c 地址与v l a n 之间的对应关系，此即通过查询组 播c a m 表，把相应端口划分到指定v l a n 。 基于口地址影配置口网段与v l a n 之间的对应关系，此过程需要交换机读取收 射到的数据帧中的协议类型和d 地址字段。 基于策略最复杂的一种v l a n 划分方式，也是最灵活的。可以定义一定的 策略( 即一些限制条件) ，交换机对每个端口进行检查，凡是满 足策略的端口都会添加到该组策略对应的v l a n 中。 1 3 2v l a n8 0 2 1 q 帧格式 传统的以太网数据帧格式不包含v l a n 信息，无法用于传送v l a n 信息，要 想让跨越交换机的v l a n 能正常工作，必须重新提出一种包含了v l a n 信息的帧 格式，这便是著名的8 0 2 1 q 帧格式。 6 第一章以太网和千兆以太网 下面是8 0 2 1 q 帧的格式： 、i l 。d d r sa d d r 8 0 2 1 q l t数据 j ， - l t y p ep r i c f 踟d 图1 31 q 帧的格式 对比图1 1 的两种封装格式看出，该帧格式在传统的以太网帧格式的“类型 长度字段前面附加了一个4 字节的额外字段，称为l q 标记。标记字段分为四部 分： t y p e ：这是一个2 字节长的字段，指示该数据帧类型。就目前来说，此字段值 都是0 x 8 1 0 0 ，这样做的目的是兼容传统的以太网数据帧。当不能识别带1 q 标记 帧的设备接收到该数据帧后，检查“类型”字段发现是一个陌生的值，于是简单 丢弃即可。 p r i ：这是一个3 比特字段，用来表示数据帧的优先级，一共可以表示8 种优 先级，利用此字段可以提供一定要求的服务质量。一般情况下，以太网交换机为 端口提供几个具有不同优先级的发送队列。在把一个数据帧从该接口发送出去之 前，交换机检查该数据帧的p i l l 字段，根据取值把该数据帧放入相应的队列中。 这样，将高优先级帧放到高优先级队列中可以得到优先传输服务。 c f i ：这是一个1 比特字段，该字段用在一些基于环形结构的物理介质的网络 中，例如令牌环和f d d i 。 v i d ：即v l a ni d ，这是1 0 数据帧的核心部分，用于指示数据帧所属的v l a n 。 此字段是一个1 2 比特长的字段，这样总共可以表示4 0 9 6 个v l a n ，但v l a n1 用来做默认v l a n ( 没有划分到具体v l a n 中的交换机端口，默认情况下都属于 v l a n1 ) ，故实际中能使用的只有4 0 9 5 个，有些厂家的产品对可使用v l a n 范 围限制的可能更小，因为这些设备内部也使用一些v l a n 来携带控制信息。 当引入这种带v l a n 标记的数据帧以后，交换机的端口就有了类别之分。有 些端口能够且仅仅能够识别这种带1 q 标记的数据帧，这种端口称为t a g 端口( 标 记端口) ；有的端口不能识别这种带1 q 标记的数据帧，这种端口称为非t a g 端 口；还有一些端口不仅能识别带标记的数据帧，而且能识别不带标记的数据帧， 这样的端口称为混合端口，连接两个交换机的端口一般是t a g 端口或混合端口。 7 重庆邮电大学硕士论文 1 4 千兆以太网 随着计算机技术的不断发展，一些新兴的应用逐渐显现，比如大型的分布式数 据库和高速的视频图象传输。这些应用需要大量的带宽，传统的快速以太网( 1 0 0 m ) 已经不能满足要求，这时迫切再次要求提高以太网的运行速度，而提高到1 0 0 0 m 是最直接的，即所谓的千兆以太网( g i g a b i te t h e r n e t ) 。 千兆以太网基本上沿用了传统的以太网的数据链路层( 只在半双工运行模式下 与传统以太网的链路层略有不同) ，这样可以很好地保护投资。在物理层上，千 兆以太网做了改变。对目前来说，千兆以太网只能用光纤作为物理传输介质，而 基于同轴电缆和五类双绞线的千兆以太网正在研制当中，估计不久的将来会投入 使用。 1 4 1 千兆以太网的基本技术 a 8 8 1 0 b 编码 在传统的以太网传输技术中，数据的传输是以8 位组的形式进行的，也就是说， 在数据链路层把8 位数据提交到物理层以后，物理层经过适当的变换后发送到链 路上传输，但变换的结果还是8 比特。在光纤千兆以太网上，则不是这样。在数 据链路层把8 比特的数据提交给物理层的时候，物理层把这8 比特的数据进行一 个映射变换成1 0 比特发送出去。这个特点是光纤千兆以太网得以实现的基础。一 发送数据只有8 位时，总共有2 5 6 种组合，而物理层实际发送的数据有1 0 位， 总共有1 0 2 4 种组合。于是我们可以把这1 0 2 4 种组合分成三部分： 一部分称为数据代码组，总共有2 5 6 个，对应实际发送数据的2 5 6 种组合； 一部分称为特殊代码组，是剩余的组合中选择出的一部分，用来代表控制信号； 剩余的部分临时没有使用，可以供将来使用。 数据代码组和特殊代码组的选择遵循_ 定的规则，比如尽量做到o 和1 分布均 匀。 b 有序集 在上面的讨论中，我们知道了数据代码组和特殊代码组的含义，其中数据代码 组用来表示实际传输的数据，特殊代码组用来传递一些面向物理层的控制信息。 例如，自动协商就是使用特殊代码组来进行封装的。实际上，在使用特殊代码组 传递控制信息的时候，为了提高容错性，往往把几个特殊代码组组合成一个整体 8 第一章以太网和千兆以太网 来传送控制信息，这个整体便叫做有序集。 对于有序集需要注意的有两点： 1 ) 有序集是特殊代码组的组合，数据代码组的组合不是有序集； 2 ) 有序集是一个整体，它把一个或几个特殊代码组组合起来表示唯一的意思。 下面列举几个常用的有序集。 i d l e 有序集：光纤千兆以太网中没有数据传输时，链路并非空闲，而是传输 一些不代表任何实际意义的比特位，这样可以保持两端时钟的同步并使链路保持 在激活状态，正是i d l e 组成这些空闲位。链路两端的设备在接受到i d l e 有序集 后，仅仅忽略，如果一段时间内接收不到i d l e 有序集，则认为链路故障。 s t a r to fp a c k e t 有序集：顾名思义，这个有序集表示一个实际数据包传送的开 始。在对端设备接收到这个有序集以后，它就知道跟在后边的将是一个实际的数 据包。这个有序集起定界的作用。 e n do fp a c k e t 有序集：跟s t a r to fp a c k e t 有序集作用相反，它代表实际数据 包的结束。 c o n f i g u r a t i o n 有序集：这个有序集跟自动协商息息相关。自动协商的数据就是 封装在这个有序集后边进行传输的，也就是说，每当物理层接收到这样一个有序 集的时候，它就知道紧跟在这个有序集后边的数据就是自动协商数据。 下面说明数据包是怎样通过有序集来进行封装传输的。这里不深入讨论数据链 路层和物理层是怎样交互的，而仅仅假设数据链路层把要传输的数据( 一个一个 的8 位组) 提交给物理层，并给物理层一个传输数据的信号。 物理层接收到传输数据的信号后，立刻向链路上发送一个s t a r to fp a c k e t 有序 集。此前在链路上一直在传送i d l e 有序集。紧跟s t a r to fp a c k e t 有序集后就是实 际的链路层数据，不过，跟链路层提交给物理层的数据不同的是，在物理层将这 些数据作一个8b i t 到1 0b i t 的影射。数据链路层传输数据结束以后，马上给物理 层发送一个信号，告诉物理层自己已经传送完，这时物理层往链路上发送一个 e n do fp a c k e t 有序集，结束数据的传送，此后物理层并不是一直空闲，而是不断 的往链路上发送i d l e 有序集。 图1 4 表示了这个过程。 s t a r to f e n do f i d l e d a t ai d l e p a c k e t p a c k e t 图1 4 有序集封装的数据传输 上面介绍的是实际数据的封装，接下来再查看一下自动协商配置数据的封装方 9 重庆邮电大学硕士论文 法。在自动协商允许的情况下，两端的系统把自己的配置寄存器内容读取出来， 封装到一个数据代码组里面，然后发送出去。不过，在发送的时候，并不是马上 就把这个配置数据发送出去的，而是先发送一个叫做c o n f i g u r a t i o n 的有序集，配 置数据紧跟在这个有序集后面，这样做的目的是让对端能正确的区分配置数据和 普通数据具体的封装。跟上面的数据传输封装大体相同，不同的是把上面的 s t a r to fp a c k e t 有序集换成了c o n f i g u r a t i o n 有序集，配置数据后边没有表示结束 的有序集，因为配置数据长度是固定的，对端很容易根据长度区分。 1 4 2 千兆以太网的特点 千兆以太网的特点主要包括如下： a 千兆以太网提供完美无缺的迁移途径，充分保护在现有网络基础设施上的 投资。千兆位以太网将保留i e e e8 0 2 3 和以太网帧格式以及8 0 2 3 受管理的对象规 格，从而使企业能够在升级至千兆性能的同时，保留现有的线缆、操作系统、协 议、桌面应用程序和网络管理战略与工具； b 千兆以太网相对于原有的快速以太网、f d d i 、a t m 等主干网解决方案，提 供了一条最佳的路径。至少在目前看来，它是改善交换机与交换机之间骨干连接 以及交换机与服务器之间连接的可靠、经济的途径。网络设计人员能够建立有效 使用高速、关键任务的应用程序和文件备份的高速基础设施。网络管理人员将为 用户提供对i n t e m e t 、i n t r a n e t 、城域网与广域网的更快速的访问； c i e e e8 0 2 3 工作组建立了8 0 2 3 z 和8 0 2 3 a b 千兆以太网工作组，其任务是开 发适应不同需求的千兆以太网标准。标准支持全双工和半双工1 0 0 0m b p s ，相应 的操作采用i e e e8 0 2 3 以太网的帧格式和c s m a c d 介质访问控制方法。千兆以 太网还要与1 0b a s e t 以及1 0 0b a s e t 向后兼容。此外，i e e e 标准将支持最大距离 为5 5 0 米的多模光纤、最大距离为7 0 千米的单模光纤和最大距离为1 0 0 米的铜轴 电缆。千兆以太网填补了8 0 2 3 以太网快速以太网标准的不足。 1 4 3 千兆以太网的前景 千兆以太网技术现在已经完全成熟并大量投入使用，主要应用在数据网络的骨 干位置，也应用于连接一些高端的数据库服务器。千兆以太网已经发展成为主流 网络技术。不论是成千上万人的大型企业，还是几十人的中小型企业，在建设企 1 0 第一章以太网和千兆以太网 业局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆以太网技术甚 至正在取代a t m 技术，成为城域网建设的主力军。 重庆邮电大学硕士论文 ， 1 2 第二章嵌入式系统和w i n d o w sc e 第二章嵌入式系统和w i n d o w sc e 2 1 嵌入式系统和嵌入式操作系统 根据i e e e 的定义，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是“控制、监视或者辅助 设备、机器和车间运行的装置( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t ，m a c h i n eo rp l a n t s ) 。按照历史性、本质性及普遍性要求，嵌入式 系统应定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统【3 】。 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌 入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件【4 】。图2 1 为嵌入式系统体系结 构图。 图2 1 嵌入式系统体系结构图 一般地，在嵌入式系统中有三种应用模型，如图2 2 所示。第一种模型中没有 操作系统的概念，更没有b s p ，应用程序的代码是与硬件高度相关的，因为应用 程序要直接与硬件打交道，包括处理器硬件中断、读写硬件寄存器等。这种模型 常见于一些比较简单的嵌入式应用，例如单片机和比较早期的蜂窝电话。第二种 模型有嵌入式操作系统，操作系统负责与硬件交互，管理硬件资源，应用程序利 用操作系统提供的a p i 和库间接地与硬件打交道。其优点是由于有了嵌入式操作 系统的支持，应用开发变得相对简单，应用开发者可以更多的关注应用业务的逻 辑实现，而无须考虑硬件细节；其缺点是由于有了操作系统，操作系统本身也要 占用资源，因此系统的效率有可能不如第1 种模型高，此外由于该操作系统没有 b s p 的支持，操作系统往往不能够移植【5 1 。m i c r o s o f t 的w i n d o w sx pe m b e d d e d 和 比较早期的w i n d o w sn te m b e d d e d 是这种模型的代表。 1 3 重庆邮电大学硕士论文 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 硬件( h a r d w a r e ) 应用程序( a p p l i e a t i o n ) 应用编程接d ( a p i ) 操作系统( o s ) 硬件( h a r d w a r e ) 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 应用编程接口( a p i ) 操作系统( o s ) 板级支持包( b s p ) 硬件( h a r d w a r e ) 1 没有操作系统与b s p 2 有操作系统没有b s p 3 有操作系统与b s p 图2 2 嵌入式系统的三种应用模型 本文的应用程序设计基于第三种模型架构。在这种模型中，操作系统与硬件之 间增加了一层b s p ，它替代了第二种模型中的操作系统与硬件直接交互。这样， 嵌入式操作系统的代码也与硬件无关。因此，不但应用程序的移植性好，而且嵌 入式操作系统也可以灵活方便地跨平台移植。w m d o w sc e 和v x w o r k s 是这种模 型的代表。 嵌入式操作系统的应用环境与其他类型的计算机系统有着巨大的不同，随之也 带来对操作系统的不同要求，从而构成现代操作系统的一个新的类型：嵌入式操 作系统 6 1 。 嵌入式操作系统是与应用环境密切相关的。从应用范围角度，嵌入式操作系统 大致可以分为通用型和专用型的。比较典型的通用型的商业嵌入式操作系统有 w i n d o w sc e 、v x w o r k s 和从l i n u x 发展出来的嵌入式l i n u x ；专用型的有用于掌 上电脑的p a l mo s 、主要用于移动电话的s y m b i a n 等。从实时性能氢受，嵌入式操 作系统还可以分为实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统。前者包括 v x w o r k s 、p s o s 、q n x 和n u c l e u s 等；后者包括个人数字助理、移动电话、机顶 盒等。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件 相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面及标准化 浏览器等【7 1 。嵌入式操作系统具有一般操作系统的基本特点，如能够有效管理越来 越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和 维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与一般操 作系统相比，嵌入式操作系统在实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以 及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 1 4 第二章嵌入式系统和w i n d o w sc e 2 2w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个开放的、可剪裁的、3 2 位的实时嵌入式窗口操作 系统【8 1 ，被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发，工业控制、信息家电、移动通信、 汽车电子、个人电子消费品等各个领域。 2 2 1w i n d o w sc e 的体系结构和功能模块 w i n d o w sc e 属于比较典型的微内核操作系统。在内核中仅仅实现进程、线程、 调度及内存管理等最基本的模块，而把图形系统、文件系统及设备驱动程序等都 作为单独的用户进程来实现【9 1 。 w i n d o w sc e 体系结构可以被分成若干个层；图2 3 显示了w i n d o w sc e 的 层次化体系结构。 图2 3w i n d o w sc e 的层次化体系结构 需要特别说明的是，o e m 层是逻辑上位于硬件和w i n d o w sc e 操作系统之间 的一层硬件相关的代码。它的主要作用是对具体的硬件进行抽象，抽象出统一的 接口，内核可以使用这些接口与硬件进行通信。o e m 层包括o e m 抽象层、引导 程序( b o o tl o a d e r ) 、配置文件( c o n f i g u r a t i o nf