（通信与信息系统专业论文）基于windows+ce的数据包截取技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 w i n d o w sc e 嵌入式系统软件与通用操作系统( 如w i n d o w s2 0 0 0 x p ) 软件兼 容性非常好，可以稍加改动就能将通用操作系统下的软件移植到w i n d o w sc e 下， 方便了w i n d o w sc e 系统下的软件开发。但是在w i n d o w sc e 下，由于微软没有为 其提供底层驱动与应用程序交互的接口函数。接口函数成为了通用操作系统软件移 植到w i n d o w sc e 下应用程序开发的瓶颈之一，解决这些接口问题，可以使这些移 植到w i n d o w sc e 下的应用程序性能得到充分发挥。 由于微软没有为w i n d o w sc e 下的中间层驱动程序提供与应用程序交互的专门 的接口函数，如n d i s m r e g i s t e r d e v i c e 、i o c r e a t d e v i c e 和i o c r e a t e d e v i c e s e c u r e 等，使 得一些通用操作系统下的网络软件移植到w i n d o w sc e 下后，性能的充分发挥受到 影响。 本文根据w i n d o w sc e 下底层驱动与上层应用程序交互的特点，即利用流接口 驱动程序可以实现底层驱动与上层应用程序的交互，以及w i n d o w sc e 下中间层驱 动程序的原理，通过流接口驱动程序实现了中间层驱动程序与上层应用程序的交互， 解决了w i n d o w sc e 下中间层驱动程序与上层应用程序交互的接口难题。论文首先 介绍了w i n d o w sc e 体系结构：深入分析和研究了两种驱动程序：流接口驱动程序 和n d i s 驱动模型，以及流接口函数、流驱动程序的加载方式和n - d i s 下的中间层 驱动程序。然后给出了一种在w i n d o w sc e 下实现中间层驱动程序动态加载的方法， 使得开发人员在具体应用开发时大幅提高效率。同时给出了利用中间层驱动程序进 行底层数据包截获的设计与实现方法，最后给出了系统总体设计，实现了中间层驱 动程序与应用程序的交互，使应用程序可以获取中间层驱动程序从底层截获的完整 数据包。 本文给出了w i n d o w sc e 下利用流接口驱动实现中间层驱动程序的动态加载方 法，利用中间驱动截获底层数据包，然后解决了中间层与上层应用程序数据交互的 接口难题。 关键词：n d i s ，中间层驱动程序，流接口驱动程序，w i n d o w sc e ，截包 重庆邮电大学硕十论文 a b s t r a c t a b s 仃a c t s o f t w a r eo fw i n d o w sc ee m b e d d e ds y s t e ma n dg e n e r a l p u r p o s eo p e r a t i n gs y s t e m ( s u c ha sw i n d o w s2 0 0 0 x p ) c o m p a t i b i l i t yi sv e r yg o o d ，j u s tal i t t l ec h a n g e ，s o f t w a r eo f g e n e r a l - p u r p o s eo p e r a t i n gs y s t e mc a nb ep o r t e dt ow i n d o w sc e ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o r d e v e l o p i n go fs o f t w a r eu n d e rt h ew i n d o w sc e b u tm i c r o s o f td i dn o tp r o v i d ei n t e r f a c e b e t w e e nl o w l e v e ld r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a mf o rw i n d o w sc e i n t e r f a c eb e c o m e s t h eo n eb o t t l e n e c ko fs o r w a r et r a n s p o r t a t i o nb e t w e e nw i n d o w sa n dw i n d o w sc e s o l v i n gt h ep r o b l e m ，t h es o f t w a r eo f b e i n gp o r t e dt ow i n c e c a np l a yi t sp e r f o r m a n c e s i n c em i c r o s o f td o e sn o tp r o v i d es p e c i a li n t e r f a c ef o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n i n t e r m e d i a t ed r i v e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m ，s u c h a s n d i s m r e g i s t e r d e v i c e 、 i o c r e a t d e v i c ea n di o c r e a t d e v i c e s e c u r e ，a f t e ra p p l i c a t i o np r o g r a mb e i n gp o r t e dt o w i n d o w sc e ，t h ep e r f o r m a n c ec a nn o tb ef u l l y i nt h i sp a p e r ，b yt h ef e a t u r e so fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o w l e v e ld r i v e ra n du p p e r a p p l i c a t i o np r o g r a m ，a n db a s i cp r i n c i p l eo fi n t e r m e d i a t ed r i v e ru n d e rw i n d o w sc e ， u s i n gs t r e a mi n t e r f a c er e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e r m e d i a t e d r i v e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h a ti s t os a y , i ts o l v e st h ei n t r i c a t ep r o b l e mo fi n t e r f a c eo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e r m e d i a t ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fw i n d o w sc ef i r s t l y ；i n - d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a c ht ot w o d r i v e r s ：s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e ra n dt h en d i sd r i v e rm o d e l ，a n dt h es t r e a mi n t e f f a c e f u n c t i o n s 、l o a d i n gm e t h o do fs t r e a md r i v e r 、i n t e r m e d i a t ed r i v e ri nn d i s t h e n i tg i v e sa m e t h o do fd y n a m i cl o a d i n gi n t e r m e d i a t ed r i v e ru n d e rw i n d o w sc e ，w h i c hm a k e s d e v e l o p e rm o r ee f f i c i e n tw h e nd e v e l o p i n g a tt h es a m et i m e ，菩v i n gt h em e t h o do fd e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n , b yw h i c hi n t e r m e d i a t ed r i v e rc a p t u r e st h el o w e rp a c k e t s a tl a s t ， p r o v i d i n gt h eo v e r a l ld e s i g no fs y s t e m ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n i n t e r m e d i a t ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m a n da p p l i c a t i o np r o g r a mc a p t u r e st h e p a c k e t s ，w h i c hi n t e r m e d i a t ed r i v e rc a p t u r ef r o ml o w i nt h i sp a p e r , i t 百y e sam e t h o do fd y n a m i cl o a d i n gi n t e r m e d i a t ed r i v e ru n d e r w i n d o w sc e ，c a p t u r i n gp a c k e t sb yi n t e r m e d i a t ed r i v e ra n ds o l v e st h ep r o b l e mo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e r m e d i a t ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m k e y w a r d s ：n d i s ，i n t e r m e d i a t ed r i v e r , s t r e a md r i v e r s ，w i n d o w sc e ，c a p t u r ep a c k e t i l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 在全球通信网络高速发展的今天，嵌入式设备联网也越来越普遍，如比较熟悉 的手机上网就是嵌入式设备联网的一个很好例子。除了手机外，手持式网络测试仪 是嵌入式设备中的一个典型例子，这类设备通常专门用于一些专业场合，如流量测 量、网络性能分析、网络故障排查等。手持式网络测试仪要实现这些功能都离不开 数据包的获取，数据包的获取又可以称为抓包或截包，所谓抓包是指直接获取数据 包，通过事先设定好的一些规则，如设定要获取的数据包类型，对数据包进行判断， 决定数据包的捕获。抓包技术在w i n d o w s 操作系统( 如w i n d o w s2 0 0 0 x p ) 下应 用广泛，比较常见的抓包工具有s n i f f e r 、w i r e s h a r k 、w i n n e t c a p 等。 这类抓包工具有的是在用户态下开发，有的是在内核态下开发的，不论是在用 户态下开发还是内核态下开发，微软都提供了相应的抓包机制，如在用户态下提供 的机制有：w i n s o c kl a y e r e ds e r v i c ep r o v i d e r ( l s p ) ( 也称为s p i ( s e r v i c ep r o v i d e r i n t e r f a c e ) 截包技术) 、w i n d o w s2 0 0 0 x p 包过滤接口、替换系统自带的w i n s o c k 动态连接库；内核态下提供的机制有：t d i 过滤驱动程序( t d if i l t e rd r i v e r ) 、n d i s 中间层驱动程序( n d i si n t e r m e d i a t ed r i v e r ) 、w i n 2 kf i l t e r - h o o kd r i v e r 、w i n 2 k f i r e w a l l h o o kd r i v e r 、n d i sh o o kd r i v 一2 1 。微软提供的这些机制还为开发人员在 w i n d o w s2 0 0 0 x p 这类通用操作系统下开发各种抓包软件提供了相应的函数库，如 用户态下提供了w i n s o e k 接口、内核态下提供了库函数n d i s m r e g i s t e r d e v i c e 、 i o c r e a t d e v i e e 和i o c r e a t e d e v i c e s e c u r e 等，为实现应用层对底层数据包的截获提供 了方便，可以通过这些接口函数实现底层与应用层的交互。 w i n d o w sc e 作为w i n d o w s 嵌入式系统，从1 9 9 6 年发布到今天已经走过了十多 年的历程，成为主流嵌入式系统之一，与另外一个主流嵌入式系统l i n u x 并驾齐驱， 占有很大的嵌入式市场份额【3 】。 尽管w i n d o w sc e 与w i n d o w s 通用操作系统( w i n d o w s2 0 0 0 x p 这类系统) 在 应用层软件上有很高的兼容性 4 1 ，但是w i n d o w s 通用操作系统提供的很多接口函数 在w i n d o w sc e 下都不支持，如前面提到的库函数n d i s m r e g i s t e r d e v i c e 、 i o c r e a t d e v i c e 和i o c r e a t e d e v i c e s e c u r e 等，在w i n d o w s2 0 0 0 x p 下可以直接使用实 现底层网络驱动与应用程序的交互，w i n d o w sc e 并不支持这类函数，所以接口函 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 数成为w i n d o w sc e 下应用程序开发的瓶颈之一【5 1 。通过这些接e l 函数的实现，就 能够实现上层与底层的交互，底层设备为应用程序服务。 截获信息完整的数据包是大量网络应用的重要前提【6 j ，但是w i n d o w sc e 下实 现应用层数据包的获取并不是一件容易的事，微软为w i n d o w sc e 提供的截包机制 并不多，或者说没有为它专门订制截包机制。类似于w i n d o w s 通用操作系统下的网 络截包机制，我们将w i n d o w sc e 下的截包机制分为两大类，即用户态截包和内核 态截包。在用户态下，有些数据包是不能截获到的，如i c m p 包、p i n g 包等，因为 这类包在协议层就进行了处理，不上传到应用程序；而且，有些病毒会利用t c p i p 协议驱动程序提供的接口，绕过应用层， 好的选择是从内核态截获所有的数据包， 较大【7 1 。 使得这类数据包不能被截获到，所以比较 然后提供给应用层，只是这样做的难度比 本文的研究目标就是在内核态下，采用中间层驱动程序获取底层所有数据包， 利用流接口驱动程序解决中间层驱动程序的动态加载问题，以及中间驱动与应用层 程序交互时的接口难题，最终实现将中间层驱动程序捕获的数据包上传给应用程序。 本文所设计的系统有如下优点： 模块化设计，每个模块完成一个具体功能，这样做便于调试，稳定性好，而 且可靠，各个模块互不干扰，方便为各个模块扩充功能。 可以使数据包的处理在应用层进行，增强了本系统与移植到w i n d o w sc e 下 的软件的兼容性，降低底层开发难度，缩短开发周期，对数据包的处理更加灵活， 扩展性好。 为各种应用程序提供信息更完整的数据包，有利于现有或新的应用提高功能 和性能。 1 2 研究现状 w i n d o w sc e 是微软基于早期操作系统w i n d o w s9 5 开发的一个嵌入式系统，所 以尽管后来微软提出了各种截包机制用来截获网络数据包，但是这些机制大多数都 不适用于w i n d o w sc e 系统，只有少部分从实现原理上相同。w i n d o w sc e 的网络体 系结构与w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统的网络结构大体上基本相似，所以w i n d o w sc e 在网络数据包的截获实现原理上可以参考w i n d o w s2 0 0 0 x p 下面的一些实现机制， 例如他们都支持n d i s 驱动模型的协议驱动和中间层驱动【8 】。这两种驱动都是处于 内核态下，网络数据包在w i n d o w sc e 与w i n d o w s2 0 0 0 x p 下的两种驱动中数据处 理原理基本相同，所以基于这两种驱动，w i n d o w sc e 下的截包技术可以参照 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 w i n d o w s2 0 0 0 x p 下的截包机制。 首先是基于协议驱动的截包机制。在w i n d o w s2 0 0 0 x p 系统下提供了t d i 过滤 驱动程序( t d if i l t e rd r i v e r ) ，即传输层过滤驱动程序，这种机制通过驱动程序创建 一个或多个设备对象，如d e v i c e r a w l p 、d e v i c e u d p 、d e v i c e t c p 、d e v i c e l p 、 d e v i c e m u l t i c a s t 。然后将它们直接挂接到一个现有的驱动程序之上。在w i n d o w s n t 2 0 0 0 x p 下，这个驱动程序表现为t c p i p s y s 。过滤层驱动程序为上层应用程序 提供标准接口实现过滤层驱动程序与应用程序之间的交互，上层应用程序进行网络 数据包的发送或接收，都是通过这些标准接口来实现的。这种截包技术能够截获用 户态下不能截获的数据包，能获取到当前进程的详细信息，被很多防火墙的开发所 使用。但是这种截包技术由于位于t c p p s y s 之上，对于在t c p i p s y s 中就进行 处理的数据包却无能为力，如i c m p 包，也就是说它捕获不了i c m p 包。在w i n d o w s c e 下也提供了一种类似的数据包截获机制，这种截包技术同样也是位于t c p i p 层 之上，只不过是以d l l 动态链接的形式出现。在w i n d o w sc e 下表现为 n d i s u i o d l l ，它为上层应用程序提供w i n d o w sc e 专用的标准接口流接口， 通过流接口上层应用程序就能够进行网络数据包的发送和接收了，这种抓包技术比 较有代表性的就是早期w i n d o w sc e3 0 下开发的一款抓包软件p a c k e t c e ，之后 在w i n d o w sc e4 2 和w i n d o w sc e5 0 下开发的各种抓包软件都是基于p c k e t c e 进 行修改来实现网络数据包的截获的。很明显这这种抓包软件同样不能截获i c m p 包。 其次是基于中间层驱动程序( n d r si n t e r m e d i a t ed r i v e r ) 的截包机制。中间层驱动 程序介于协议层驱动和小端口驱动之间，它能够截获所有的网络数据包。在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 及以后版本，微软提供n d i s m r e g i s t e r d e v i c e ( ) 和i o c r e a t e d e v i c e ( ) 等 库函数并且支持派发函数( d r i v e r o b j e c t m a j o r f u n c t i o n ( 功能代码) ) 。作为驱动对 象一部分的派发函数实现与上层应用程序的接口，便于在这些系统下开发中间层驱 动程序的扩展功能【9 】，与应用程序的交互也相对容易些，所以在w i n d o w s2 0 0 0 x p 下中间层驱动很早就为上层应用提供服务。但是在w i n d o w sc e 下，中间层驱动并 没有为它提供上面那些函数，所以在w i n d o w sc e 下，中间层驱动程序的应用，基 本都停留在数据过滤技术的应用上【1 0 1 ，这种技术主要是在中间层驱动程序中设定一 些规则，对数据包进行过滤，决定数据包的放行与否，再决定将数据包上传给上层 协议驱动程序，这种技术主要应用于防火墙。 目前，基于中间层驱动，为应用程序提供数据包截获服务的成熟产品还很少见 到，因此，为使各种w i n d o w s 网络应用软件在移植到w i n d o w sc e 下时，不影响其 功能和性能的发挥，研究如何利用中间层驱动程序来截获底层数据包，并提供给应 用程序就显得很有实际意义。 3 重庆邮电大学硕七论文 第一章绪论 1 3 论文主要工作 本文首先介绍了截包技术研究的背景及意义，然后给出了目前w i n d o w sc e 截 包技术的研究与发展现状，并对这些截包技术进行分析比较。在研究和解决相关技 术难题后，最后设计并实现了w i n d o w sc e 下基于n d i s 中间层驱动程序，能够截 获数据包并上传给应用程序的系统。论文的工作主要包括： 熟悉w i n d o w sc e 操作系统的体系结构和网络体系结构：对流接口驱动程序 和n d i s 驱动模型进行研究分析，并重点研究了w i n d o w sc e 下流驱动的加载机制 和n d i s 中间层驱动程序；熟悉集成开发工具p l a t f o r mb u i l d e r 等的使用方法。 研究分析w i n d o w sc e 系统下流驱动的加载方式及中间驱动加载的实现，提 出一种动态加载( 即由应用程序来主导加载) 中间层驱动程序的方法，实现两类驱 动的同时加载，使得开发人员在具体应用开发时，大幅提高效率。 基于中间层驱动程序框架，在中问层驱动程序的函数中添加相关算法，以截 获底层小端口驱动中的数据包，并保存在为中间层驱动程序分配的缓存区中。 实现流驱动与中间驱动数据的交互，设计流接口驱动程序，实现流驱动函数 从分配给中间层驱动程序的缓存区中获取数据包。 对两类驱动的加载进行测试，并对应用程序能否获取底层数据包进行测试。 1 4 论文结构安排 第一章：概述本论文的选题背景及意义、研究现状，同时对两种截包技术进行 了比较分析。 第二章：介绍了w i n d o w sc e 的体系结构、网络系统结构、流驱动模型、n d i s 驱动模型，驱动加载方式及开发工具，并重点介绍了n d i s 中间层驱动程序。 第三章：设计并实现通过流驱动对n d i s 中间驱动的加载。 第四章：中间驱动截包设计及实现。 第五章：总体设计系统，实现流驱动与中间驱动的交互，应用程序最终读取到 底层数据包。 第六章：对系统的实现过程分别进行测试。 第七章：总结本论文的研究结果，对下一步的研究方向提出意见。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 1 9 9 6 年微软发布了w i n d o w sc e 的第一个版本w i n d o w sc e1 0 ，到今天的 w i n d o w se m b e d d e dc e 6 0 ，在技术和市场上都取得了巨大成功。w i i l d o w sc e 是3 2 位、嵌入式、实时、多任务和模块化的操作系统，具有可靠性好、实时性强、内核 体积小以及开放源代码等特点。被广泛应用于工业控制、汽车电子、移动通信、信 息家电、航空航天、军事、个人电子消费品等各个领域【l 。1 。w i n d o w sc e 支持x 8 6 、 a r m 、m i p s 和s h 四种处理器架构，支持w i f i ，u s b2 0 等新型设备，并具有强 大的多媒体功能。 2 1w i n d o w sc e 的结构 w i n d o w sc e 系统从下到上依次是：硬件层、o e m 层、操作系统层和应用程序 层，共四层1 2 1 。w i n d o w sc e 体系结构如图2 1 所示。 卜瞄觚啡n d o w sc e f c 。f f j 序m 蓄i l 客户和服务开发 i 操作系统层 l 核心。l l ii 对象存储 l 图彤词u 利争仟 l 多媒体技术 系统 卜管理器ll 别鬻和l( g w e s ) i 扬山 i o a l 层 u 七m 层 冈网 驱动程序 l = i l堑i 硬件层 5 重庆邮电大学硕七论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 2 1 1w i n d o w sc e 硬件层 硬件层指的是我们肉眼可以看到的一些物理实体，硬件层在整个系统中的作用 是隐形的。它的功能不像应用层那样可以很直观的体现出来，可以说硬件层扮演着 无名英雄的角色。它为上层应用程序服务，是整个系统的载体，影响着系统性能的 发挥。对于w i n d o w sc e 操作系统，硬件层至少需要3 2 位处理器、实时时钟、存储 器这几个基本组件，才能保证w i n d o w sc e 进行简单的正常运行。通常，我们还会 看到串口、网卡、键盘、鼠标这些硬件实体，这些硬件都是在基本组件的基础上外 扩而来的。根据硬件层硬件的不同，定制的w i n d o w sc e 系统就会有所差别。 2 1 2o e m 层 为了减轻开发难度和缩短开发周期，w i n d o w sc e 在硬件层和操作系统之间引 入了一个逻辑层，即o e m 层。o e m 主要涉及硬件相关的代码，它将底层硬件抽象 出来，不需要与a p i 直接进行交互，a p i 通过o e m 就可以对底层硬件进行操控， 实现了操作系统的可移植性。o e m 层包括o e m 适配层( 0 a l ) 、引导程序b o o t l o a d e l 、配置文件和驱动程序4 个模块。 o a l 主要与操作系统的内核相关，它屏蔽了处理器平台的细节，增强w i n d o w s c e 操作系统内核的可移植性；引导程序是系统上电后最先运行的一段代码，主要 是将操作系统内核调入内存；配置文件主要实现各种硬件系统相关文件的配置；驱 动程序使操作系统能够操控不同的硬件，实现上层软件与具体硬件的分离，因而在 嵌入式系统中非常重要。 2 1 3 操作系统层 在w i n d o w sc e 操作系统中，不论是o e m 层还是上层的应用程序都需要相对 应的接口和服务，才能实现层与层直接的相互通信，操作系统层就是为提供这些接 口和服务而存在的，要是没有操作系统层，一切都无从谈起，可见操作系统层起到 了核心作用。这一层主要实现的功能包括进程管理、线程管理、处理机管理、调度、 物理内存和虚拟内存管理、文件系统及设备管理等。w i n d o w sc e 操作系统的基本 功能包括内核n k e x e ( 提供系统服务) ：图形系统g w e s e x e ( 提供g u l 支持) ； 对象存储f i l e s y s e x e ( 提供文件系统服务) ；设备管理系统d e v i c e e x e ( 加 载和维护设备驱动) ：服务s e r v i c e s e x e ( 提供加载系统服务) ，它们都是由各 6 重庆邮电大学硕七论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 个相互独立的进程( e x e ) 来实现的。 2 1 4 应用程序层 应用程序层最直观，它直接面向用户，开发人员开发的各种产品，其功能都是 通过应用程序层体现出来的，可以用它来衡量一个系统的价值。在w i n d o w sc e 下， w i n d o w sc e 为通过w i n 3 2a p i 为应用程序提供服务，利用w i n d o w sc es h e l la p i 在应用程序层可以开发自己的s h e l l ，即外壳模块。 从图中我们可以看到，w i n d o w sc e 采用模块化的体系结构，这种结构层次性 强，各个模块功能明确，使得移植性更好，裁剪掉各个模块也不影响其它模块的性 能，体系了裁减性好的优势，同时还提供编程接口和支持上层面向用户的应用等特 点。 2 2w i n d o w sc e 的网络体系结构 为了方便对w i n d o w sc e 网络体系结构的理解，现将网络通信模块影射到o s i 的7 层参考模块下。它的体系结构如图2 2 所示。从图可以看到，网络体系结构从 下往上依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层 【1 3 】 o 2 2 1 物理层 w i n d o w sc e 支持多种方式的数据通信模式。w i n d o w sc e 支持各种各样的数据 通信离不开传输介质，通过各种传输介质，w i n d o w sc e 实现了网络连接和通信。 这些介质可以是串口、并口、网络接口卡、蓝牙设备等。这些设备位于w i n d o w s c e 网络体系结构的硬件层，即物理层。物理层都是为上层系统服务的。 2 2 2 数据链路层 w i n d o w sc e 下的数据链路层支持串行i o 和局域网( l a n ) ，它提供对物理设 备的支持。从结构图中我们可以看到，其实数据链路层就是底层软件层，在这一层 中运行着与物理层各种设备相对应的驱动程序，数据链路层通过这些驱动程序将物 理层抽象化，上层应用程序不需要了解物理层，通过数据链路层，物理层就可以为 7 重庆邮电大学硕+ 论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 应用程序服务。如n d i s 驱动程序就是位于这一层。 应用程序 7 ：应用层 l 。lj 6 表示层 蓝牙高 r a sw n c ts s p i 层协议 w i n l n e t 5 ：会话层 。 i寻 、 寻 s e c u r e n e t b l 0 ss c h a n n e i w i n s o c k s o c k e t jiji t c p4 ：传输层 t c pu d p 1r i r d a 协 i p i c m p a r p 议 3 ：网络层 ji jl 1r 1r t a hh 芝：。h 掣y 、产re1r i 串口驱动程序n 。i s 驱动程序 h c i 驱动 2 ：数据链路层 1 i i_ - l 串口 红外i n c 8 0 2 1 1 设 = ll 蓝牙 ，：物理层 i 串口i备 2 2 3 网络层和传输层 图2 2w i n d o w sc e 网络体系结构图 从图中可以看到，t c p i p 就位于这两层，是这两层的核心。t c p i p 是i n t c m e t 的一个公认标准，它允许共同工作的计算机或设备通过网络共享资源。它支持p 协 议、a r p 协议、i c m p 协议、i g m p 协议、t c p 协议和u d p 协议。可将t c p i p 分 为：主机到网络、互联网层、传输层和应用层4 层。互联网层和传输层非常重要。 互联网层定义了分组格式和协议，即p ( i n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 。无连接的网络层是互 联网层的基础。传输层定义了两个端到端的传输协议，即传输控制协议和用户数据 报协议。传输控制协议比用户数据报协议可靠，因为它是面向连接的【l4 】。 重庆邮电大学硕士论文 第二二章w i n d o w sc e 及驱动简介 2 2 4 会话层、表示层和应用层 其实会话层、表示层和应用层都属于应用程序的范畴，它们构成了7 层模型的 高层。依赖于传输层、网络层、数据链路层和物理层，对低级通信进行处理。 2 3 流接口驱动程序 2 3 1 流驱动模型 每个流接口驱动程序必须实现一组标准函数，用来完成标准的文件i o 函数和 电源管理函数，这些函数提供给w i n d o w sc e 操作系统的内核使用。编译后的流接 口驱动程序最终生成的驱动程序文件为d l l 文件，通常这些接口函数被叫做流接口 驱动程序的d l l 接口。 w i n d o w sc e 中流接口驱动程序是以动态链接库的形式存在，它的模型如图2 3 所示。 用户应用程序 0 篙7 文件系统码| 一姗t 擘叫流式驱动程序 厂s 内核 叫设备管理器 本机设备驱动程 序 土土 基于w i n d o w sc e 的平台 v 底层设备 图2 3 流驱动模型结构 从图中可以看到，流接口驱动程序由设备管理器( d e v i c e m a n a g e r ) 统一加载、 管理和卸载。底层设备被流接口驱动程序表示为文件系统的一个特殊文件，由设备 驱动程序进行控制，上层用户应用程序要想对底层设备进行访问，必须首先通过调 用文件系统才能实现。文件系统使得上层应用程序对底层设备的访问变得十分容易， 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 即应用程序( a p p l i c a t i o n ) 使用w i n d o w sc e 操作系统的文件a p i 函数和流接口进 行通信，从而达到应用程序访问驱动程序、操作硬件的目的【1 5 】。 w i n d o w sc e 采用一种与其他操作系统不同的命名方式来识别不同的流接口设 备。一个有效的流接口设备名包括：三个大写字母组合的设备文件名前缀( p r e f i x ) ， 索引编号( i n d e x ) 和一个冒号【1 6 1 。 2 3 2 流接口函数 在流接口驱动模型中提供了w i n d o w sc e 规范的主要十个接口函数【。q 由a c t i v a t e d e v i c e e x ( ) 函数调用的初始化函数d w o r dx x x i n i t ( d w o r d d w c o n t e x 0 。 由c r e a t f i l e ( ) 函数调用的设备驱动打开函数d w o r dx x x o p e n ( d w o r d h d e v i c e c o n t e x t ，d w o r da c c e s s c o d e ，d w o r ds h a r e m o d e ) 。 由d e a c t i v a t e d e v i c e ( ) 函数调用的卸载函数b o o lx x xd e i n i t ( d w o r d d w c o n t e x t ) 。 由c l o s e h a n d l e r ( ) 函数调用的设备驱动关闭函数b o o lx x xc l o s e ( d w o r d h o p e n c o n t e x t ) 。 由d e v i c e c o n t r o l ( )函数调用的功能扩展函数b o o l x x x _ i o c o n t r o l ( d w o r dh o p e n c o n t e x t ，d w o r dd w c o d e ，p b y t ep b u f l n ，d w o r d d w l e n i n , p b y t ep b u f o u t ，d w o r dd w l e n o u t ，p d w o r dp d w a c t u a l o u t ) 。 由r e a d f i l e ( ) 函数调用的设备数据读出函数d w o r dx x x r e a d ( d w o r d h o p e n c o n t e x t ，l p v o i dp b u f f e t ，d w o r dc o u n t ) 。 由w r i t e f i l e ( ) 函数调用的将数据写入设备的函数d w o r d x x x _ w r i t e ( d w o r dh o p e n c o n t e x t ，l p v o i dp b u f f e r , d w o r dc o u n t ) 。 由s e t f i l e p o i n t e r ( ) 函数调用的数据指针操作函数d w o r d x x x _ s e e k ( d w o r dh o p e n c o n t e x t ，l o n ga m o u n t ，d w o r dt y p e ) 。 系统挂起函数v o i dx x xp o w e r d o w n ( v o i d ) 。 系统重启函数v o i dx x x _ p o w e r u p ( v o i d ) 。 这十个接口函数在w i n d o w sc e 嵌入式的开发中非常重要，因为通过这十个接 口函数，可以将几乎所有的外围设备抽象化，应用程序不用管外围设备的具体操作， 就能够通过这十个接口函数实现对外扩设备的控制。并且这十个接口函数可以直接 与上层应用程序进行直接交互，使得这十个接口函数成为了上层应用程序与底层设 备最常用的接口。通常在开发底层设备的时候都需要用到这十个接口函数。 这十个接1 2 1 函数在系统的开发过程中可以采用三种加载机制。第一种加载类型 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 是在系统启动的时候进行的。第二种加载类型是针对那些在w i n d o w sc e 下，系统 能够自动检测到的外围设备，在设备管理程序自动检测外围设备与基于w i n d o w sc e 平台的连接时进行的。第三种加载类型是针对串行设备的，这类设备在w i n d o w sc e 下不支持自动检测，所以设备管理器不能够自动检测到，不能对它们进行驱动程序 的自动加载【1 8 1 。 2 3 3 流驱动加载机制介绍 系统启动时加载流接口驱动程序。这种加载方式是在w i n d o w sc e 系统启动 时，启动设备管理器。在注册表中的h k e yl o c a lm a c h n e r i v e r s 也u i l 妇， 在这个键下保存着需要系统启动时加载的流接口驱动程序，设备管理器通过读取这 个注册表键的内容，进行流接口驱动程序的加载。 在设备管理器自动检测外围设备与基于w i n d o w sc e 平台的连接时进行。这 种加载方式是通过调用r e g i s t e r d e v i e e 函数来完成的。也是由设备管理器调用。这 种加载方式是这样实现的：通过调用r e g i s t e r d e v i c e 在 h k e yl o c a lm a c h i n e k d r i v e r s k a c t i v e 键中生成一个已编号的子键来跟踪这个 驱动程序。对于流接口驱动程序则锁入工作区r a m 。这样做可以防止程序被换出， 也防止页面调度活动，该活动在服务中断时会减慢驱动程序操作。 设备管理器程序不能够自动检测或加载某一驱动程序的时候，这种情况设备 管理可以通过调用函数a c t i v a t e d e v i c e e x 来实现驱动程序的加载。只不过在调用 a c t i v a t e d e v i c e e x 函数加载驱动程序之前要确保一些必要的信息，如流接口函数的 前缀、驱动动态库文件的路径及文件名、“o r d e r 和“i n d e x ”的取值。才能通过调用 a c t i v a t e d e v i c e e x 函数实现驱动程序的动态加载，这种加载方式又叫手动加载。 2 4n d i s 驱动模型 n d i s ( n 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 ) 是m i c r o s o f t 和3 c o m 公司开发的网 络驱动程序接1 ：1 规范的简称【1 9 1 。w i n d o w sc e 下的n d i s 驱动模型是从w i n d o w s 通 用操作系统引入的一种驱动模式。负责适配器与协议驱动程序间的通信。n - d i s d l l 库为网络驱动提供接口，将n d i s 各层抽象化，方便开发人员在网络驱动各层进行 开发。并且为开发人员提供了开发所需要的核心模式函数，这些函数通常被命名为 n d i s x x x 。n d i s 的体系结构图如图2 4 所示。 重庆邮电大学硕士论文 第二章w i n d o w sc e 及驱动简介 i 小端 j l 图2 4 n d i s 体系结构图 从图可以看到，n d i s 体系包含三层。从下到上依次是小端口驱动、中间层驱 动、协议驱动。 小端口驱动程序( m i n i p o r td r i v e r ) ：小端口驱动程序直接对物理层的小端