（通信与信息系统专业论文）以太网接入atm与atm交换机仲裁算法研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本论文的研究工作源自于与a t m 技术相关的科研项目，其内容分为了两 大部分：以太网接入a t m 设备和a t m 交换机结构及仲裁算法。 第一部分介绍了以太网接入a t m 设备的整个设计过程。( 与以往不同，本 设备采用了软件实现的新思路，因而应用了一些自主创新的设计技术。在随后 的测试中获得了所要求的性能，并应用到了以太网和a t m 网络为平台的多媒 体会议系统中。论文的第2 章首先铺垫了构建“软”接入设备所需要的w i n d o w s 平台网络构架和设备驱动程序概念。f 此章的内容简略而有条理，有助于理解后 面的接入设备设计思路，并为其它的网络驱动程序以至于其它的设备驱动程序 的编写提供了参考牌3 章从接入设备的设计选型出发到实际网桥软件的编写， 详尽的介绍了以太网接入a t m 设备，即网桥的整个设计过程。f 其中网桥编程 又分别从驱动程序的关键结构和控制流程两个层次来进行列述。整个接入设备 的结构，模块及相互调用都是按照网络分层的思想来设计的。文的第4 章对完 成的以太网接入设备进行了多个角度的测试，f 就是将其应用到多种实际的网络 环境和实用网络系统中去，得到了满意的使用性能。 论文的第二个部分关于a t m 交换机中核心交换结构和仲裁算法的仿真。 f 通过大量的计算机仿真，从多个角度和性能指标上评测和比较了多种基于一定 交换结构的仲裁算法，对大型交换机的设计有着相当的参考价值，第5 章先简 述了a t m 交换模型和它的的一些基本概念，然后着重描述了在后面的仿真中 所要用到的两种交换结构带c i o q 的单c r o s s b a r 结构和基于c r o s s b a r 的三 级交换结构。接下来的两章分别应用了两种工具c 语言和o p n e t 进行了仿 真。厂第6 章对使用c 语言来编写仲裁算法的仿真程序作了具体介绍。( 这一章中 对仲裁算法的描述较多，而算法的实际c 语言实现只要按照算法描述中的步骤 逐次编写就能够完成。算法用c 语言抽象以后有较强的灵活性和扩展性，所以 本章对两种交换结构都进行了仿真，并且在每种结构的仿真中都有多种仲裁算 法进行比较0 7 磲7 章所使用的o p n e t 是一个专业性的网络仿真软件。b p n e t 能 够非常细致的比较网络中的各种性能参数，但使用和设计都较为复杂。因此在 这一章中着重介绍了o p n e t 中对交换结构和仲裁算法仿真的模块设计，并且对 仿真所得到的结果作了详尽的分析。) 矗 关键词：设备驱动程序，a t m 接入设备，网桥，a t m 交换模型，仲裁算 法，0 p n 吼 摘要 a b s tr a c t t h er e s e a r c hi nm yt h e s i sc o m e sf r o me n g i n e e r i n gp r o j c c t so na t mt e c h n o l o g y ，s o t h et h e s i sf a l l si n t ot w op a r t s ：a t me q u i p m e n ta c c e s s e db ye t h e r n e ta n ds w i t c h i n g f a b r i ca n da r b i t r a t i o na l g o r i t h mo f a t ms w i t c h s o m ec o n c e p t i o n sa b o u tw i n d o w sn e t w o r kl a y e r sa n dd e v i c ed r i v e rt h a tc o m p o s e t h e s o f t a c c e s se q u i p m e n ta r ep r e s e n t e di nt h e2 “oc h a p t e r t h i sc h a p t e ri sb r i e f b u t s y s t e m i c ，s oh e l p su n d e r s t a n d i n gd e s i g n i d e a so ft h ea c c e s se q u i p m e n ti nt h e f o l l o w i n g ，a n dm a k e sr e f e r e n c et op r o g r a m m i n go ft h eo t h e rn e t w o r k d r i v e r sa n d o t h e rd e v i c ed r i v e r s t h e3 “c h a p t e r ，r a n g i n gf r o md e s i g ns e l e c t i o no ft h ea c c e s s e q u i p m e n tt o v i r t u a lb r i d g es o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，p r e s e n t sad e t a i l e da c c o u n to f t h ep r o c e s s t h eb r i d g ep r o g r a m m i n gi ss p e c i f i e da tt w ol e v e l s ：t h ek e ys t r u c t u r eo f d r i v e r sa n dc o n t r o lf l o w t h ed e s i g no ft h ew h o l ea c c e s se q u i p m e r i ti sb a s e do n t h e i d e ao fn e t w o r kl a y e r s t h e4 “c h a p t e r ，b yt e s t i n gv a r i o u sa s p e c t so ft h ef i n i s h e d a c c e s sp r o g r a m m eo fe t h e r n e t ，a n da p p l y i n gi ti nd i f f e r e n tr e a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t a n d s y s t e m ，h a sp r o v e d i t ss a t i s f y i n gp e r f o r m a n c e t h es e c o n dp a r to ft h et h e s i si sa b o u ts i m u l a t i o no fc o r es w i t c h i n gf a b r i ca n d a r b i t r a t i o na l g o r i t h mo fa t m s w i t c h ，a i m i n ga tc o m p a r i n gs o m e k i n d so fa c t u a lo r t h e o r e t i ca r b i t r a t i o na l g o r i t h m sb a s e do i lc e r t a i nf a b r i ct h e5 ”c h a p t e rs t a t e sa t m s w i t c hm o d e la n di t sb a s i c c o n c e p t i o nf i r s t ，t h e ne m p h a t i c a l l y d e s c r i b e st w o s w i t c h i n gf a b r i c su s e db y t h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n ：s i n g l ec r o s s b a rw i t hc i o qa n d 3 - s t a g e sf a b r i cb a s e d o i lc r o s s b a r t h e 6 “c h a p t e ra n d7 “c h a p t e rc o n d u c t s i m u l a t i o n w i t hc l a n g u a g e a n do p n e t r e s p e c t i v e l y t h ef o r m e rg i v e s a s p e c i f i ci n t r o d u c t i o no f s i m u l a t i o np r o g r a mu s e df o ra r b i t r a t i o na l g o r i t h mw i t hcl a n g u a g e cl a n g u a g ei sa s i m p l i f i e d ，a l g o r i t h m d e s c r i b i n gl a n g u a g e ，t h e r e f o r ei t i sn e c e s s a r yt h a ta r b i t r a t i o n a l g o r i t h ms h o u l db ef u r t h e rg e n e r a l i z e df r o ms p e c i f i cs w i t c h i n ga p p l i c a t i o n t h i s c h a p t e r s a v e sm o r es p a c ef o r d e s c r i p t i o n o fa r b i t r a t i o n a l g o r i t h mb e c a u s et h e a l g o r i t h m w i t hc l a n g u a g ec a n b er e a l i z e di fc p r o g r a m m e i sc o n d u c t e d b yt h es t e p s t h ea l g o r i t h mp r o v i d e s t h ea l g o r i t h ma b s t r a c t e dw i t hcl a n g u a g ei sf l e x i b l ea n d s e a l a b l e ，s ot h i sc h a p t e rm a k e ss i m u l a t i o no fb o t ht w os w i t c h i n gf a b r i c s ，i ne a c ho f w h i c ht h e r ea r ec o m p a r i s o n sb e t w e e nv a r i o u sa r b i t r a t i o na l g o r i t h m s o p n e tu s e di n t h e 7 “c h a p t e r i sa p r o f e s s i o n a l n e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r e o p n e tc a r l 2 电子科技大学硕士论文 d i s c r i m i n a t ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nn e t w o r k ，b u tt h ea p p l i c a t i o na n d d e s i g n o fi ta r e v e r yc o m p l i c a t e d t h e r e f o r e t h i s c h a p t e rp u t se m p h a s i s o n i n t r o d u c t i o no fm o d u l e d e s i g n o fs w i t c h i n gf a b r i c sa n da r b i t r a t i o n a l g o r i t h m s i m u l a t i o n ，a n dm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so f r e s u l t sf r o ms i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d e v i c ed r i v e r , a t ma c c e s se q u i p m e n t ，b r i d g e ，a t ms w i t c hm o d e l a r b i t r a t i o na l g o r i t h m ，o p n e t 3 电子科技大学硕士论文 芒! 暑! 詈詈i i ；i 一i 烹i = ：巴 a t m b i s d n b p c i o q c r r d d m d w d m f d m f i r m h a l h i d i d n i l r u n i p c i s d n i s l i p i s o l a n l l c n i c m a c m a n m i b m s m n i s d n n d i s n n a 0 i d 0 p c 缩略字表 a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e b r o a d b a n d i n t e g r a t e dd i g i t a ln e t w o r k b a c k p r e s s u r e c o m b i n e d i n p u t o u t p u tq u e u e i n g c o n c u r r e n tr o u n d r o b i nd i s p a t c h i n g d i r e c tm a t c h i n gw i t hu s e f u lp o r tn o t i f y d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i l c l e x i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f c f si nr o u n d r o b i nm a t c h i n g h a r d w a r ea c c e s sl a y e r h u m a n i n p u td e v i c e i n t e g r a t e dd i g i t a ln e t w o r k i t e r a t i v el e a s t - r e c e n t l yu s e d i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k i n p u tp o r tc o n t r o l l e r i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k i t e r a t i v er o u n d r o b i nm a t c h i n gw i t hs l i p i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n l o c a la r e an e t w o r k l o g i cl i n kc o n t r o l n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d m e d i aa c e s sc o n t r o l m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k m a n a g e di n f o r m a t i o nb l o c k m a x i m u ms i z em a t c h i n g n a r r o w b a n di n t e g r a t e dd i g i t a ln e t w o r k 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 n e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h m s 0 b j e c ti d e n t i f i e r o u t p u tp o r tc o n t r o l l e r 异步传输模式 宽带综合业务数字网 反压 联合输入输出排队 并发r o u n d r o b i n 匹配 有用端口确认的直接匹配 密集波分复用 频分复用 r o u n d r o b i n 匹配中的f c f s 硬件访问层 人工输入设备 综合数字网 迭代的最少最近使用 内部互连网络 输入端口控制器 综合业务数字网 滑动迭代r o u n d r o b i n 匹配 国际标准组织 局域网 逻辑连接控制 网络接口卡 媒质访问控制 城域网 管理信息块 最大匹配 窄带综合业务数字网 网络驱动程序接口规范 神经网络算法 对象标示符 输出端口控制器 5 缩略字表 o s i p i m q l q o s r d r n b r r m s d s s e s n b t d i t d m t d s u s b v o q v x d w a n w d m 6 o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n p a r a l l e li t e r a t i v em a t c h i n g q u e u e l o s s q u a l i t yo f s e r v i c e r a d o m d i s p a t c h i n g r e a r r a n g e a b l en o n - b l o c k i n gn e t w o r k r o u n d r o b i nm a t c h i n g s p a c ed i v i s i o ns w i t c h i n g s w i t c h i n g e l e m e n t s t r i c t s e n s en o n - b l o c k i n gn e t w o r k t r a n s p o r td r i v e ri n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o ns w i t c h i n g u n i v e r s a ls e r i a lb u s v i r t u a lo u t p r a tq u e u e v i r t u a ld e v i c ed r i v e r w i d ea r e an e t w o r k w i n 3 2d r i v e rm o d e 开放系统互连 并行迭代匹配 队列丢失 服务质量 随机匹配 可配置无阻塞网络 r o u n d r o b i n 匹配 空分交换 交换单元 严格无阻塞网络 传输驱动程序接口 时分复用 时分交换 通用串行总线 虚拟输出队列 虚拟设备驱动程序 广域网 w i n 3 2 驱动程序模型 电子科技大学硕士论文 第1 章引言 近几十年来，通信和网络的发展逐渐走n t 一起，现在已经密不可分。而 它们的发展离不开外因和内因：外因就是人们对通信速度更迅捷，方式更丰富 的要求，而内因就是网络硬件技术的进步使得人们的要求能够得以实现。 推动发展的通信业务从最初的语音，如基本的电话话音( s o t m d ) 业务，发 展到了计算机数据( d a t a ) 通信，直到近年的影像( i m a g e ) 传送。三十多年前， 如大众电视这样的影像业务还只是单向传输。而近十年来就相继出现了一些多 向业务，如视频点播( v o d ) 、视频电话等等，并且需求量将会越来越大。开 始，通信业务可按照信息传送容量的大小，也就是信息从源端到目的地经网络 传输的速率( b i f f s ) ，分为低速、中速和高速业务。如今更进一步，通信业务还 可以用实时性( r e a l t i m e ) 和突发性( b u r s t i n e s s ) 来加以区分。例如，基本的 电话业务就应该是实时的，而数据业务以至于单向的声音和影像业务可以忍受 一定时延，即使质量有所下降也不会太大的影响这些业务的接受。突发性可以 用突发因予来衡量，例如影像业务中就有低突发因子的交互式视频和高突发因 子的单向高清晰度电视。此外，通信业务的形式还有了两个新的趋势：多点 ( m u l t i p o i n t ) 和多媒体( m u l t i m e d i a ) 能力。多点通信是点对点的发展，使得 多个用户可以同时进行相互交流。而多媒体业务指同时提供多种信息类型的互 传，如声音、文本和影像。多点和多媒体的通信在现代的信息生活和商务活动 中起着愈来愈重要的角色。例如，不同城市和国家的与会者可以就在自己的办 公室单通过视频会议的方式完成商务会晤；大学课程电能以一个大学的课堂为 中心用多点多媒体的信道发送到分稚全国的各个授课点，不仅能够提供讲课者 的声音和影像，还可以传输学生的问题，以至于文本和其它信息。 与通信业务相适应，近十年里两种网络技术得到了并行的发展：一种是提 供基本语音服务的网络；另一种就是提供数据业务的网络。几十年以前，语音 信号成为通信网络传送的第一种信息类型，其基础是电路交换 ( c i r c u i t s w i t c h i n g ) 模式。随着六十年代微电子技术的划时代突破，大型计算 机的制造成为可能，可以为多个用户( 本地的或远端的) 提供服务。这使得数 据网络快速发展，其技术基础便是分组交换( p a c k e t s w i t c h i n g ) 模式。与前面 所说通信业务相对应，电路交换适用于高突发因子的业务，而分组交换更应用 二低突发因子的通信方式。八十年代以前的语音和数据网络也都还只是限于窄 带低速的，但是现今的这两种网络都在不断改进，以提供增值业务和扩展的网 7 第1 章引言 i i i 络容量。有目共睹的数据网络领域的进步不可计数，并且全世界成千上万的数 据网络或多或少的相互交织在一起。局域网( l a n ) 能够满足小范围( 小于半 径1 公里) 内的信息互传，基于共享媒质( 总线或环) 的分布式访问实现；城 域网( m a n ) 同样基于共享媒质，但采用了多种可能的接口技术，在比局域网 更大的城区范围内担当着重要角色；跨越了更大范围的数据网络在交换节点中 应用了存储转发( s t o r e a n d f o r w a r d ) 技术，以提供长距离的数据通信，这便是 广域网( w a n ) 。如今，i n t e r _ n e t 网络连接了五十多个国家数以万计的数据 网，使得数百万的主机能够互相通信。并且似乎i n t e r _ n e t 所能支持的通信业 务没有限制，从最简单的电子邮件直到获取全世界的各种类型的信息资讯。 数字技术的发展正使得通信网络，特别是电话网络发生着深刻的变革。最 初的电话网络的传输和交换都是模拟的：传输采用频分复用( f d m ) ，交换基 于空分交换( s d s ) 。由于不断进步的数字技术能够大大降低通信设备的装配和 管理费用，模拟设备正逐渐被数字设备所取代：传输使用了基于时分复用 ( t d m ) 的数字系统：交换中广泛使用时分交换( t d s ) 。这便使得传输和交 换的通信全程都能充分利用数字的技术优势。即使是模拟用户之间的通信，也 可以将模拟信号转换成数字的，经f d m 系统传输和s d s 交换，又在目的地转 换为模拟的。这就是综合数字网( i d n ) 。业界又很快认识到将多种通信业务合 并到一个网络能够有效的利用网络资源，于是i d n 发展到了综合业务数字网 ( i s d n ) 。开始的i s d n 又称作窄带综合业务数字网( n i s d n ) ，只是提供语 音和数据的窄带综合接口，而语音和数据以至于信令都在各自的信令网、电路 交换网和分组交换网中交换传输。并且n i s d n 只提供了6 4 k b i t s 的基本信道 速率，不能支持如影像这样的高带宽业务。由此提出了宽带综合业务数字网 ( b i s d n ) 来克服i s d n 窄带通信的限制。i s d n 中基于一些给定速率的基本 信道严格通信结构在b i s d n 中被去除，取而代之的是异步传输模式( a t m ) 。 基于a t m 的b i s d n 是一种面向连接的结构，终端用户之间的数据传输需 要在通信开始建立虚连接。同时a t m 也是种分组交换技术，但其包含信息 的分组是定长的，称作信元( c e l l ) 。这种分组结构独立于任何通信业务，意味 着在理论上a t m 网络能够承载目前存在以及将来出现的所有通信业务。然而 a t m 近年来受到了i p 技术的巨大冲击，这是由于其技术复杂使得设备成本很 高，加之大量现存的数据业务和应用都是基于i p 的，以及v o i c e o v e r i p 和 v i d e o o v e r i p 等新兴i p 通信业务的层出不穷。尽管如此，a t m 在技术本质上 对业务的综合有着不可比拟的优势，并且能够充分保障业务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ：q o s ) ，这是传统的1 p 技术还无法办到的。因此a t m 还有着其一定的 应用前景。 电子科技大学硕士论文 i i i i i i i 尽管本论文的源课题都与a t m 有关，但分别属于两个科研项目，涉及了 a t m 技术的两个方面：一个是a t m 传输网络边缘的接入设备，另一个是位于 网络中心的a t m 交换机。前面已经介绍a t m 能够将各种通信业务综合到一个 网络中传输，那在网络的边缘就需要把各种业务接入。以太网是一项成熟的局 域网技术，其上可以运行各种各样的t c p i p 应用。为了将其接入i n t e r n e t ， 或通过一个长距离与远端的另一个i p 网络进行互通，采用a t m 传输是一个可 行且节约网络资源的选择。实质上，接入设备的作用就是将以太网桥接入a t m 网络。我论文的第一部分就介绍自己基于w i n d o w s 平台编写软件来实现的以太 网接入a t m ，其原理知识在论文的第二章和第三章都有更详细的介绍。a t m 网络的核心是大型的a t m 交换机。随着通信业务种类及数量的急剧增加，以 及各种业务网络带宽量的不断增大，要求a t m 交换机能够提供大容量和高速 的交换能力。论文的第二部分主要介绍我对一些已实际应用和近年来新出现的 交换结构及其仲裁算法的仿真和性能分析，其中第五章更多地阐述了所涉及到 的理论知识。 论文的章节安排如下： 第一章，引言 第二章，w i n d o w s 网络分层结构和设备驱动程序，本章的内容与网络 通信的关系不大，却是后面我所要实现软件设备的构建平台和编程基本 环境； 第三章，以太网接入a t m 设备的设计，细致阐述了接入设备的整个设 计过程： 第四章，接入设备的测试和性能分析，接入设备在多种使用环境中进行 测试并且分析能够达到的性能指标； 第五章，a t m 交换结构与模型，从a t m 交换的基本概念入手，介绍了 a t m 交换机的原理和众多知识点；进一步描述了单c r o s s b a r 和三级交 换结构的模型： 第六章，仲裁算法的c 语言仿真，单c r o s s b a r 和三级交换结构所使用 的仲裁算法的c 语言编程仿真； 第七章，仲裁算法的o p n e t 仿真，只仿真了- - 种- - 级c r o s s b a r 交换的 仲裁算法，但详细介绍了使用通信仿真软件o p n e t 设计的过程和仿真 结果的分析 第八章，总结。 9 电子科技大学硕士论文 = ! = ! ! = 詈鼍詈詈詈詈! ! 詈i i i = 皇皇! ! 竺! ! ! ! 詈! ! ! 皇! ! = ! ! ! 曼詈! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! 第2 章w in d o w s 网络分层结构和设备驱动程序 在项目中实现的以太网接入a t m 设备是基于w i n d o w s 平台设计的软件。 该软件直接对与以太网相连的以太网卡和与a t m 设备相连的a t m 网卡进行控 制。在w i n d o w s 平台下对硬件进行操作需要编写w i n d o w s 的设备驱动程序。 这一章就先介绍这方面的概念。 2 10 s i 模型与w in d o w sn t 的网络结构 1 9 7 8 年i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s o r g a n i z a t i o n ) 引入了网络的o s i ( o p e n s y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 七层标准模型，如图2 一l 所示。其中每一层都为上层 提供了特定的服务( s e r v i c e ) ，而屏蔽了这些服务实现的细节。相邻层之间定义 了接口( i n t e r f a c e ) 。通过它们，规定了下层为上层提供的服务如何实现。 w i n d o w s n t 及其它支持w i n 3 2 接口的微软操作系统( 如w i n d o w s9 8 等) 的网络驱动程序体系的框架结构是相似的。他们实现了o s i 模型中下四层的协 议( p r o t o c 0 1 ) 及其接口功能。 图2 - 1o s i 模型与w i n d o w s 网络模型比较 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 是o s i 模型中的最低层，负责通过物理介质完成 对位元流的接收和发送。它描述了与物理介质的电气光学、机械和功能的接口， 并为所有的高层传送信号。在w i n d o w s n t 中，n i c ( n e t w o r k i n t e r f a c ec a r d 网 络适配卡) 、其发送器和它们之间的连接介质便组成了物理层。 第2 章w i n d o w s 网络分层结构和设备驱动程序 o s i 把数据链路层( d a t el i n kl a y e r ) 分为了l l c ( l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i a a c e s sc o n t r 0 1 ) 两个子层。l l c 子层提供了节点间信息帧( f l a m e ) 的无错传输。这一子层负责逻辑链路的建立和终结、控制帧流、帧的排队、帧 的确认以及未确认帧的重传。l l c 子层利用对帧的确认和重传为上层提供了实 际上的无错连接。而m a c 子层管理对网络介质的访问、检测错帧以及对已接 收帧的地址识别。在w i n d o w s n t 的网络结构中，分配给l l c 子层的功能由传 输驱动程序( t r a n s p o r td r i v e r ) 来实现，而分配给m a c 子层的功能在网络适 配卡中由硬件实现。n i c 又受到软件设备驱动程序网络适配卡驱动程序 ( n i cd r i v e r ) 的控制。w i n d o w sn t 操作系统自带许多种类的网络适配卡驱 动程序。 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 控制着子网的操作，并根据网络条件、服务优先 级及其它因素来确定信息由哪条路径来传输。具体来说，包括路由、流量控制、 帧的拆分与重组、逻辑位址到物理位址的映像和计数器的使用。 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 确保信息的无错、有序，并且无丢失、冗余地传 送。它解除了更高层协议与其对等层信息传送的关注。在包含了提供虚电路传 送能力的可靠的网络层和逻辑链路层的协议栈中，只需添加一个简单的传输层。 例如，由于w i n d o w sn t 的n e t b e u i 传输驱动程序包含了o s i 兼容的l l c 子 层，它的传输层功能就很少。如果协议栈中不包含l l c 子层，并且网络层不可 靠或只支持信息包( 如t c p i p 中的i p 层或n w l i n k 中的i p x 层) ，那么传输 层中就应该实现帧的排序和确认，以及重传未确认帧。 在w i n d o w sn t 的网络模型中，数据链路层、网络层和传输层都在同一个 软件驱动程序中实现，叫做传输驱动程序( t r a n s p o r td r i v e r ) ，有时也叫做协议 ( p r o t o c 0 1 ) 、协议驱动程序( p r o t o c o ld r i v e r ) 或协议模块( p r o t o c o lm o d u l e ) 。 w i n d o w sn t 就自带了t c p i p 、i p x s p x 、n e t b e u l 和a p p l e t a l k 传输驱动程 序。 2 2wn d o w s 的设备驱动程序结构 显然，网络驱动程序属于设备驱动程序的一类，在w i n d o w s 中必然运行于 底层保护模式r i n 9 0 环之内。 微软提供了几种不同的操作系统，都在其前面冠以w i n d o w s 的称号。它们 的一些低层技术是交叉共享的，然而很多技术却是完全不同的。通过运用w i n 3 2 a p i 标准接口，微软为这些操作平台的上层应用程序提供了很好的兼容性。而 由于设备驱动程序与操作系统的最低层打交道，就使得它们必须与底层结构相 第2 章w i n d o w s 网络分层结构和设备驱动程序 o s i 把数据链路层( d a t el i n kl a y e r ) 分为了l l c ( l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i a a c e s sc o n t r 0 1 ) 两个子层。l l c 子层提供了节点间信息帧( f l a m e ) 的无错传输。这一子层负责逻辑链路的建立和终结、控制帧流、帧的排队、帧 的确认以及未确认帧的重传。l l c 子层利用对帧的确认和重传为上层提供了实 际上的无错连接。而m a c 子层管理对网络介质的访问、检测错帧以及对已接 收帧的地址识别。在w i n d o w s n t 的网络结构中，分配给l l c 子层的功能由传 输驱动程序( t r a n s p o r td r i v e r ) 来实现，而分配给m a c 子层的功能在网络适 配卡中由硬件实现。n i c 又受到软件设备驱动程序网络适配卡驱动程序 ( n i cd r i v e r ) 的控制。w i n d o w sn t 操作系统自带许多种类的网络适配卡驱 动程序。 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 控制着子网的操作，并根据网络条件、服务优先 级及其它因素来确定信息由哪条路径来传输。具体来说，包括路由、流量控制、 帧的拆分与重组、逻辑位址到物理位址的映像和计数器的使用。 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 确保信息的无错、有序，并且无丢失、冗余地传 送。它解除了更高层协议与其对等层信息传送的关注。在包含了提供虚电路传 送能力的可靠的网络层和逻辑链路层的协议栈中，只需添加一个简单的传输层。 例如，由于w i n d o w sn t 的n e t b e u i 传输驱动程序包含了o s i 兼容的l l c 子 层，它的传输层功能就很少。如果协议栈中不包含l l c 子层，并且网络层不可 靠或只支持信息包( 如t c p i p 中的i p 层或n w l i n k 中的i p x 层) ，那么传输 层中就应该实现帧的排序和确认，以及重传未确认帧。 在w i n d o w sn t 的网络模型中，数据链路层、网络层和传输层都在同一个 软件驱动程序中实现，叫做传输驱动程序( t r a n s p o r td r i v e r ) ，有时也叫做协议 ( p r o t o c 0 1 ) 、协议驱动程序( p r o t o c o ld r i v e r ) 或协议模块( p r o t o c o lm o d u l e ) 。 w i n d o w sn t 就自带了t c p i p 、i p x s p x 、n e t b e u l 和a p p l e t a l k 传输驱动程 序。 2 2win d o w s 的设备驱动程序结构 显然，网络驱动程序属于设备驱动程序的一类，在w i n d o w s 中必然运行于 底层保护模式r i n 9 0 环之内。 微软提供了几种不同的操作系统，都在其前面冠以w i n d o w s 的称号。它们 的一些低层技术是交叉共享的，然而很多技术却是完全不同的。通过运用w i n 3 2 a p i 标准接口，微软为这些操作平台的上层应用程序提供了很好的兼容性。而 由于设备驱动程序与操作系统的最低层打交道，就使得它们必须与底层结构相 电子科技大学硕士论文 兼容。 w i n d o w s3 0 的底层结构一直保留在从w i n d o w s3 x 到w i n d o w s9 x 系列操 作系统中。尽管这种结构有所发展，并且为驱动程序开发者提供的访问接口大 大增加，但低层结构的本质没有变化。所以为w i n d o w s3 x 所编的驱动程序在 绝大多数情况下，不作修改就能运行在w i n d o w s9 5 和w i n d o w s9 8 平台之下。 w i n d o w sn t 被设计为更先进的模块化的内部结构。这种新的结构在灵活 性和健壮性方面的优势是无可置疑的。然而，它并没有考虑到与w i n d o w s3 x 和w i n d o w s9 x 的兼容问题。 考虑到与各种操作系统的兼容，微软尽量统一驱动程序的结构，以便为将 来的设备驱动程序的开发提供单一的平台。微软并没有引入一种新的结构，而 是选择了一种基于先进的w i n d o w sn t 结构的设计方案。这种新型的设备驱动 程序结构就叫做w d m ( w i n 3 2d r i v e rm o d e l ：w i n 3 2 驱动程序模型) 。尽管基 于n t 内核模型接口，但w d m 结构却并不支持n t 模型的某些方面，如安全 模块。但是w d m 却新并入了w i n d o w sn t 4 0 并不支持的即插即用特性。 于是w i n d o w s9 8 引入了一种“混合”式的内部结构。它既支持w i n d o w s9 5 模式的设备驱动程序v x d ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ：虚拟设备驱动程序) ，也支持 新的w d m 模式。值得注意的是，w i n d o w s9 8 中的某些类型驱动程序必须设计 为v x d ( 文件系统驱动程序) ，另有些类型又必须设计为w d m 驱动程序( 如 u s b 驱动程序) 。除此而外，开发者可以选择编写v x d 还是w d m 风格的驱动 程序，而这种选择便要考虑到侧重于w i n d o w s9 5 的兼容还是w i n d o w sn t 的兼 容。 下面就简略介绍v x d 、w d m 和n t 内核模式驱动程序的的各自特点。 2 2 1v x d 结构 用于w i n d o w s3 x 、w i n d o w s9 5 和w i n d o w s9 8 v x d 实际是众多用于扩展w i n d o w s 操作系统功能的软件的统称。v x d 最 初用来支持w i n d o w s 下的硬件设备，是与操作系统的特权层( r i n 9 0 ) 相联系的 通用的动态连接库。v x d 用于解决常规应用程序所不能解决的问题。v x d 从 w i n d o w s 的3 8 6 系列产品开始引入，用于构造w i n d o w s3 x 、w i n d o w s9 5 和 w i n d o w s9 8 的底层结构。 v m m ( v i r t u a lm a c h i n em a n a g e r ) 与众多的v x d 绑定在一起成为操作系统 的一部分，组成了w i n d o w s3 x 9 x 的核心。开发者可以调用9 0 0 多种函数来完 成管理内存、访问硬件、接收和分派中断、建立网络协议栈、实现文件系统构 电子科技大学硕士论文 兼容。 w i n d o w s3 0 的底层结构一直保留在从w i n d o w s3 x 到w i n d o w s9 x 系列操 作系统中。尽管这种结构有所发展，并且为驱动程序开发者提供的访问接口大 大增加，但低层结构的本质没有变化。所以为w i n d o w s3 x 所编的驱动程序在 绝大多数情况下，不作修改就能运行在w i n d o w s9 5 和w i n d o w s9 8 平台之下。 w i n d o w sn t 被设计为更先进的模块化的内部结构。这种新的结构在灵活 性和健壮性方面的优势是无可置疑的。然而，它并没有考虑到与w i n d o w s3 x 和w i n d o w s9