（信号与信息处理专业论文）点对点无线网桥的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 在本论文中，主要研究了基于m p c 8 6 0 平台的点对点无线网桥的设计与实 现。包括以太网数据包的收发、无线数据包的收发、以及无线网桥协议的实现， 达到系统能有效地实现数据包的转发和过滤，并防止网络回环的产生。研究的重 点在于参照i e e e 8 0 2 1 d 协议实现m a c 地址过滤和s t p 生成树协议，并针对网 桥无线通信的特点，提出并采用了一种基于时分复用的新的无线接入机制。 本论文涉及点对点无线网桥软件部分的整体设计，以及其中的以太网数据包 收发模块、无线数据包的收发模块，和网桥协议处理模块的实现部分。以太网部 分研究l i n u x 下的网络接口卡n i c 的驱动程序、内核嘲络协议栈和网络数据帧的 流向；无线部分研究了无线数据帧的封装与收发，指出了c s m a c a 的不足，并 针对无线设备的特点，提出了无线数据包的封装格式和一种基于t d d 的无线接入 机制轮转接入( r o t a t i o n a c c e s s ) ，并在无线设备驱动中实现了这种接入机制； 在网桥协议部分讨论了l i n u x 套接口编程( s o c k e t a p i ) 技术，多线程( t h r e a d ) 编程技术，并在此基础上实现了符合i e e e 8 0 2 ，l d 防议的( m a c 地址过滤和s t p 生成树协议) 无线网桥数据与协议处理模块。 本论文研究的范围仅限于网桥的软件协议部分，并不覆盖硬件部分的实现。 通过采用本论文提出的无线轮转接入机制r a 和无线网桥协议，无线网桥系 统实现了无线数据包的正常收发和数据包在端口之间的转发操作。并具备了符合 8 0 2 1 d 协议的m a c 地址过滤的功能，同时支持s t p 生成树协议。 关键词：无线网桥点对点i e e e 8 0 2 1 ds t p 多线程编程套接口编程 东南大学硕士学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so no u rr e s e a r c ho fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no f p o i n t - t o - p o i n tw i r e l e s sb r i d g e ( p p w b r ) ，i n c l u d i n gt h es t u d yo ft r a n s n r i t t i n ga n d r e c e i v i n ge t h e m e tp a c k e t s o rw i r e l e s s p a c k e t s o nt h e p l a t f o r mo fl i n u xo s i n a d d i t i o n t h ei m p l e r n e n t a t i n no fp p w b r p r o t o c o li sa l s op a r to f o u rr e s e a r c h p p w b r h a st h ea b i l i t yo f p a c k e tf o r w a r d i n g ，f i l t e r i n ga n do fe l i m i n a t i n gp o t e n t i a ll o o p s o u r r e s e a r c hm a i n l ye m p h a s i z e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no f m a c a d d r e s s e sf i l t e r i n ga n do f s p a n n i n gt r e ep r o t o c o l ，r e f e r r e dt o i e e e s 0 2 1 dt h i st h e s i sp u t sf o r w a r dan o v e l w i r e l e s sa c c e s sm e c h a n i s mb a s e do nt d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) t h i st h e s i se o v e r ss o f t w a r es y s t e md e s i g no fp p w b r w h i c hi n c l u d se t h e m e t p a c k e tp r o c e s s i n g w i t l e s sp a c k e tp r o c e s s i n ga n dp p w b rp r o t o c o lp r o c e s s i n g i n e t h e l - n e tm o d u l e ，w es t u a yt h en e t w o r ki n t e r f a c e ( n i ) sd r i v e ln e t w o r kp r o t o c o l s t a c k si nl i n u xk e r n e l ，a n dt h ep r o m i s c u o u sm o d eo fn i i nw i m l e s sm o d u l e ，w e p r o p o s eaw i r e l e s sa c c e s sm e c h a n i s mn a m e d r o t a t i o na c c e s s ( r a ) f u r t h e r m o r e ，w e d e f i n eas p e c i f i cw i r e l e s sf r a m ef o n n a ti nt h i sm o d u l e i nt h e1 a s tm o d u l er p r o t o c o l p r o c e s s i n g ) ，w e m a k es o m ed i s c u s s i o no nt h es o c k e t a p ia n dm u l t i - t h r c a d p r o g r a m m i n g a f t e rt h a t w ei m p l e m e n t t h em a ca d d r e s s f i l t e r i n g a n ds t pm a c c o r d i n g t oi e e e 8 0 2 1 di nl i n u xu s e rs p a c ew i t ht h e s ep r o g r a m m i n gm e t h o d s t h i st h e s i sc o v e r so n l ys o f t w a r ep a r to f p p w b r w i t hn or e f e r e n c et oh a r d w a r e w i t ht h er e s e a r c hm e n t i o n e di nt h i st h e s i s ，w eh a v ea c h i e v e dt h eg o a lo fm a c a d d r e s sf i l t e r i n ga n ds u p p o r t i n gi e e e 8 0 2 1d s t pi np p w b rs y s t e m k e y w o r d s ：w i r e l e s sb r i d g e ，r o t a t i o n a c c e s s ，p o i n t t o 。p o i n t ，i e e e 8 0 2 - l d ，s t p , m u h i - t h r e a d ，s o c k e ta p i y6 4 4 3 9 2 东南大学学位论文独创性声明 本入声筠矫呈交召勺学位论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的浣明并表示了谢意。 研究生签名： ：琴! 一鲳 d 期：! 塑! 幽。2 f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阕，可以公布( 包括干l 登) 论文的全部或部分内窑。论文的公森( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一魏鞭名：婢彻够 东南大学硕士学位论文绪论 绪论 0 1 点对点无线网桥系统的功能和意义 在许多情况下，一个单位往往拥有多个局域删，或者一个局域网由丁通信距离受限无法 覆盖所有的节点，因而不得不使用多个局域网。这时，常常需要将这些局域网互联起来，以 实现局域网之间的通信。 扩展局域网的常用设备有中继器、网桥和路由器等。从功能上来讲，中继器仅仅是完成 局域网的物理扩充；网桥由于工作在链路层的m a c 子层，它具备中继器的功能之外还提供 一定的智能化连接服务，即根据帧的目的m a c 地址处于哪一网段来进行转发和滤除；路由 器则由于工作在链路层之上的网络层，它们知道网络通信的协议，所以能按协议规则决定怎 样处理特定的数据，因此路由器相对而言其功能是晟强大的。若综合考虑功能和代价的话 网桥则是一种经济实用的局域网扩充手段。这也就是为什么网桥能成为扩展局域网的最常用 方法的原网之一。 刚桥从实现方式来看，大体可以分为有线网桥和无线网桥两大类，而无线网桥是无线射 频技术和有线网桥技术相结台的产物，无线网桥可以无缝地将相隔远至数十公里的局域网络 连接在一起，创建统一的企业或城域网络系统，在典型的网络构架中，网桥的以太网端 连 接到局域网中的某个集线器或交换机上，信号发射端口则通过电缆和天线相连接；通过这样 的方式实现网络系统的扩展。 相对于传统的有线网络连接，无线网络桥接具备了诸多优势 如，主要体现在以下几个方面： 1 架设无线桥接网络无需架线挖沟，线路开通速度快。可以随时架设，随时增加链路 安装、扩容方便。而有线网络铺设须挖沟，受地势影响，不能任意铺设，且建设工期长。 2 一股有线网络连接的质量会随着线路的扩展而急剧下降。而对于点对点的无线桥接方 式，50 公里内几乎没有影响。 3 有线网络连接除电信部门外，其他单位的通信系统没有在城区挖沟铺设电缆的权力； 而无线桥接方式则可根据客户需求灵活定制专网。 4 ，有线链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而无线桥接 通信只需维护无线网桥设备，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 5 无线桥接网络可以迅速( 数十分钟内) 组建起通信链路，实现临时、应急、抗灾通信 的目的，而有线网络连接则需要较长的时问。 综上所述，无线桥接通信在可靠性、可用性和抗毁性等很多方面超出了传统的有线网络 连接方式，尤其在一些特殊的地理环境下，更是体现出了其优越性。 无线网桥的工作模式一般为点对点，点对多点等。而点对点方式采用定向天线技术，使 得它具有如下优点：传输距离远，传输速率高，受外界环境影响较小( 定向天线) 。并且在 实际中点对点方式是最常用的无线桥接方式。因此本论文将点对点无线网桥技术的实现作为 研究重点。 0 2无线网桥的技术现状 在现阶段，无线网桥的存在形式大致可分为两大类一类是作为无线局域网接入点 东南大学硕士学位论文 ( a c c e s s p o i n t ) 的附属功能这一类产品比较有代表的是l i n k s y s ( 已被c i s c o 收购) 的w a p l i 和c i s c o 的a i r o n e t 3 5 0 系列国回。这一类产品在网桥工作模式下，支持点对点和点对多点 通信，并采用i e e e 8 0 21 1 中的c s m a c a 接入机制。传输距离与8 0 21 l 无线局域网的接入 点相当，但a i r o n e t 3 5 0 系列在网桥模式下可采用定向天线增加传输距离。另一类产品是完 全与a p 无关的独立的室外远距离无线网桥典型的代表产品是c i s c o 的a i r o n e t l 4 0 0 系列 和a l u a r i o n 的b r e e z e a c c e s s l b 系列凹囝。这一类网桥的工作模式同样为点对点或点对多点。 传输距离一般可以达到几十公里。为了提高速率，大多采用o f d m 技术。a i r o n e t l 4 0 0 和 b r e e z e a c c e s sl b 的最主要的区别在于：前者使用c s m a c a 接入技术，同时支持点对点和 点对多点；后者采用时分复用技术，并只支持点对点工作。但传输速率号称达到7 2 m b p s ， 比前者的最高5 4 m b p s 提高了3 3 。我们把当前有代表性的无线刚桥所采用的技术和实现的 功能归纳为如下图表： w a p l la i r o n e r l 4 0 0b l e e z e a c c e s s l b 点对点 点对多点 接入机制c s h “汽ac s m 刘c at d d 时分复用 调制方案 d s s s ( i e e e 8 0 2 1 1 b )o f d mo f d m 定向天线 远程管理 h t t p ，s n m ph t t p ，暂时不支持s n m p 数据加密6 4 1 2 8 b i tw e p4 0 1 2 8 b i tw e p私有的6 4 位加密 s t p 生成树协议 注1注1 m a c 地址过滤注i注l 注1 ：d a t as h e e r 没有注明相信都应该支持 0 3本论文的组织结构 本论文的主要任务是点对点无线网桥的软件部分的研究与实现。为了便于明了本文的行 文顺序，对论文的结构作大概的介绍。在第一章无线网桥相关技术中，做一些背景技术的讨 论和介绍，包括局域网体系结构、i e e e 8 0 2l d m a c 层局域网桥协议、网桥物理层d s s s 调 制方案。在第- 章点对点无线网桥系统设计中分为硬件和软件两块来阐述，分别介绍了 m p c 8 6 0 平台的体系结构和整个网桥系统的实现框架，并对如下各章起提挈的作用。在第三 章以太网数据帧的收发模块中，这一部分与l i n u x 底层的驱动技术和内核的网络协议栈密切 相关，冈此本章比较详细的介绍了l i n u x 的驱动技术和网络协议栈的实现。在第四章无线封 装数据帧收发模块中，首先介绍无线接入技术中比较通用的c s m a c a 协议，指出其在点对 点通信中的效率不是很高，同时给出了一种分时轮转接入( r o t a t i o na c c e s s ) 方案，并讨论了 这种方案的实现。在第五章协议处理模块中，首先介绍了模块实现需要的套接口编程技术、 网卡混杂模式和多线程技术，接着讨论了协议处理模块的多线程实现方案。在第六章结束语 中，总结了本文的工作并对后续工作做了展望。 2 东南太学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 第一章无线网桥相关技术 本章的重点在于介绍和讨论实现点对点无线网桥所需要的局域网络l a n 的背景知识、 相关网桥协议i e e e 8 0 2l d 以及无线部分物理层所采用的d s s s 调制方案。以期为本文的后 续讨论提供一个知识基础。 1 1 局域网体系结构 1 1 1概述 局域网( l o c a l a r e a n e t w o r k ) 是计算机通信网的重要组成部分。局域网的概念 是在一个局部地区范围内，把各种计算机、外围设备、数据库等相互连接起来组成的计算机 通信网。自2 0 世纪7 0 年代末，微型计算机逐渐得到广泛的使用，这就促使计算机局域网 l a n 技术得到了飞速发展，并在计算机网络中占有非常重要的地位。 一般来说，局域网的特点是： 丫为一个单伉所拥有，且地理范围和站点数目均有限； v 所有的站点共享较高的总带宽； r 较低的试验和较低的误码率： 丫 各站点为平等关系而不是主从关系： 丫 能进行广播( b r o a d c a s t ) 和多播( m u l t i c a s t ) 。 通常局域刚按网络拓扑进行分类。图1 一l ( a ) 是星形网，它是集中控制的。由于集线器 h u b 和双绞线的大量使用星形网结构获得了非常广泛的应用。图1 1 ( b ) 为环形网。最 典型的是令牌环形网。图l 。l ( c ) 为总线网，各站直接连在总线上。总线网可以使用两种协 议。一种是阻太网使用的c s m a c d ，而另一种是令牌传递总线协议。图1 1 ( d ) 为树形网， 它是总线网的变型，主要用于频分复用的宽带局域网。需要注意的是，使用集线器( h u b ) 构成的星型网，实质上仍然是总线型网络。因此局域嘲的分类也是相对的。比如现在比较流 行的8 0 2 1 l 无线局域网既可咀看成星形网有可以看成总线网。 砻弑锻谜“直驴僧直直娃 a ) 星形同 1 1 2体系结构 ( b ) 环形网( c ) 总线网( d ) 树形网 图1 1 局域网类型 在2 0 世纪8 0 年代初期，美国电气电子工程师学会i e e e 8 0 2 委员会首先制定出局域网 东南大学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 的体系结构。即著名的i e e e 8 0 2 参考模型( 图1 2 ) 。 由于局域网只是一个计算机通信网，而且局域网不存在路由选择问题，因此它不需要网 络层，雨只有最低的两层。然而局域网的种类繁多其媒体接a 控制的方法各不相同，为了 使局域网中的数据链路层不至于过分复杂，就把其划分为上下两个子层：媒体接入控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层和逻辑链路控制l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层，而网络 的服务访问点s a p u 在l l c 层与高层的交界面上。 因此，局域网的参考模型就只相当于o s i 的最低两层。但与o s i 有区别的是，8 0 2 参考 模型中还包括了传输媒体和拓扑结构的规格说明，而这部分内容按照o s i 的观点，已经不 在o s i 环境中内。然而对于局域网来说，传输媒体和拓扑结构有特别重要，因此在8 0 2 参 考模型中就包括了这部分内容， o s i 参考模型i e e e 8 0 2 参考模型 物理层的主要功能是： 丫信号的编码与译码； 7 前同步码的产生和去除i 丫比特的传输与接收。 与接入各种传输媒体有关的问题都放在m a c 子层。m a c 子层还负责在物理层基础上 进行无差错通信。更具体的讲，m a c 字层的主要功能是： 丫将上层提交下来的数据封装成帧进行发送； 丫把从物理层提交上来的帧进行解封装； v 实现和维护m a c 协议； 丫比特差错检测； v 寻址。 数据链路层中与媒体无关的部分都集中在逻辑链路控制l l c 于层。主要功能是： v 建立和释放数据链路层的逻辑链节； 丫提供与高层的接口； 丫给帧加上序号。 从局域网参考模型可看出，局域网链路层应具有两种不同的数据单元：l l cp d u 和 m a c 帧。高层的协议数据单元传到l l c 层，加上适当的首部就构成了l l c 字层的协议数 据单元l l cp d u 。l l cp d u 再向下传送到m a c 子层后，加上适当的酋部和尾部，就构成 了m a c 予层的协议数据单元m a c 帧。图1 3 为l l c p d u 和m a c 帧的关系示意图。 4 东南大学硕士学位论文第一章无线网桥相关技术 丽络上层 l l c 子层 m a c 子层 由于l l c 子层与媒体无关，所以一般来说各类局域网的l l cp d u 都遵循同一种标准 ( i e e e 8 0 2 2 ) 结构( 图l 4 ) 回，对于l l c 子层的上下层之间的接口通信和处理流程在 i e e e 8 0 22 协议中有详细的阐述。由于本论文的研究无线网桥有限网络端1 3 工作f8 0 23 局 域网的m a c 子层，涉及l l c 不多，所以并不对l l c 傲过多的介绍。而仅对8 0 2 3 局域陶 的m a c 子层作介绍。 眦刚匝匦匦工i 口习 字节111 或2可变 图卜4l l cp d u 帧结构 现在流行的总线局域网的m a c 子层的帧结构有两种标准，一种是8 0 2 3 标准，另一种 是d i xe t h e m e tv 2 标准。图i - 5 画出了这两种标准的帧结构。 字节2 或62 或62 4 6i5 0 04 粼匝巫卫巫卫丑二三 囝 馏2 匝垂卫垂卫丑二三 习 之多 图1 5 眦c 帧结构 它们都是由5 个域构成。m a c 帧的前两个域分别为目的地址和源地址字段，长度是2 或6 个字节。但i e e e 8 0 23 标准规定只使用6 字节的地址域。两种标准的区别就在于第3 个域( 2 字节) 。在8 0 2 3 标准中，这个域是长度域，他表示后面的数据域的字节长度数据 域就是l l c 子层提交下来的l l cp d u 。在以太丽的v 2 标准中，这个域是类型域，它指出 上层使用的是什么协议。由于数据域的最大长度为1 5 0 0 字节，因此以太网v 2 标准将各种 协议的代码为大于1 5 0 0 的数值，以避免发生误解。例如，i p 协议为2 0 4 8 ( 0 x 0 8 0 0 ) 。m a c 的晟后4 个字节是帧校验序列f c s 。当传输媒体的误码率为1 + 1 0 “时，m a c 子层可使未检 测到的差错小于l + 1 0 “4 。 下面依次对m a c 帧的各个域进行描述： 目的地址域 用来填充此m a c 帧接收站点的m a c 地址，地址可以为单播，多播和广播地址。 源地址域 用来填充发送此m a c 帧的站点的m a c 地址，当接收到m a c 帧时，m a c 子层并不理 会此源地址。 长度，类型域 此2 字节域根据其数值大小表示两种不同的意思。当其不大于数据域的最大字节长度 东南大学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 ( 1 5 0 0 ) 时，表示数据域的实际字节长度：而当其大于最大字节长度1 5 0 0 时，表示数据域 p d u 的协议类型。很显然，此域解释为长度还是类型是相互排斥的。 数据和填充域 这个域包含一个n 字节长的数据序列。由于m a c 子层并不关心这个数据域的真正内容， 因此上层任何协议类型的数据p d u 都可以封装在此域中。由于实现的问题。在8 0 23 局域 网中对数据域的长度都有特殊的规定，最小4 6 字节，最长1 5 0 0 字节。因此，当数据长度达 不到最小字节4 6 b y t e s 时，需要插入一些填充字节以保证达到最小字节长度4 6 b y t e s 。插入 填充字节的工作必须在生成f c s 域之前完成。 帧校验序列( f c s ) 域 通过采用循环冗余校验c r c 算法对m a c 帧的上述四个域进行计算产生一个4 字节长度的 f c s 填充此域。协议规定，c r c 算法所采用的生成多项式为： i e e e s 0 23 协议规定凡出现下列隋况之一即为无效的m a c 帧： ( 1 ) 帧的长度与数据长度域值不一致： ( 2 ) 帧长不是整数字节： ( 3 )用收到的帧序列f c s 查出有筹错。对于无效的m a c 帧就不交给l l c 子层。 1 2 i e e e 8 0 2 1 dm a c 层局域网桥协议皿 具备了上节所讨论的8 0 2 3 局域网的基本知识，本节对支撑本论文点对点无线网桥研究 的m a c 层局域网桥协议i e e e 8 0 21 d 将作比较详细的介绍和讨论。 1 2 1 协议的总体介绍 i e e e s 0 2 1 d 标准是整个局域城域网标准体系的一部分。i e e e 8 0 2i d 与这个标准体系的 其他成员的构成关系如图1 2 i 所示： 二二二三三三三二二一 二二二二三三二二二+ 然 圜圜圜圜圜圜圜圜至 图1 2 1i e e e s 0 2 标准体系结 由上图可见，所有类型的i e e e 8 0 2 局域网l a n ( 8 0 2 3 、8 0 2 4 、) 都能够利用 m a c 层网桥链接起来构成一个桥接的l a n ( 称之为b r i d g e dl a n ) 。每一个独立的l a n 都 有自己独立的m a c 层。这个所构成的桥接l a n 使得各个本属于不同l a n 的站点能够相互 通信，而这些站点并不知道它们本属于不同的局域网。m a c 层网桥工作在m a c 服务边界 6 东南大学硕士学位论文第一章无线同桥相关技术 以下，它对工作于上层的协议是透明的。但是m a c 网桥的存在会改变局域网原有的q o s ， 这是由于m a c 网桥的工作并不是完全透明的。 与单个局域网相比，一个桥接局域网可以获得如下好处： a ) 从属于不同m a c 类型局域网的站点之间能相互通信； b ) 有效的扩展了局域网的物理链接，增加了站点允许接入数，提升了局域网的整 体性能： c ) 便于对物理的局域网进行管理和维护。 一个桥接局域网所提供的m a c 服务和一个单独的局域网所提供的m a c 服务是相似的，园此 桥接局域网具有如下结论： a ) 站点并不会直接寻址网桥，除了出于管理的目的。站点之间通信的m a c 帧目的地址域 所携带的是对端站点的m a c 地址，而不是网桥的m a c 地址： b ) 在桥接局域网中的所有m a c 地址也必须唯一； c )桥接局域网中站点的m a c 地址分配不受拓扑和配置的限制。 8 0 21 d 协议讨论的范围是： a ) 把劂桥的桥接功能定位于m a c 子层； b )定义了m a c 网桥1 作的原则； c )定义了m a c 子层相应的内部服务以支持不同媒体接入类型下的帧的转交： d )定义了网桥工作的相应功能函数，并定义了网桥内部操作的结构模型： e ) 定义了网桥正常工作所需要的s t p 生成树协议； f ) 规定了网桥协议数据单元b p d u 的编码格式； g )定义了网桥管理的操作。 本论文并不对i e e e s 0 2 i d 挤议作全面深入的介绍，而仅对关键的协议操作、s t p 生成树算法 和b p d u 帧结构韶分进行讨硷。 1 , 2 2网桥协议对数据帧的操作 网桥在整个桥接局域网中的作用就是有目的的转发数据帧，保证桥接局域嘲和单个局域 婀在服务上的一致。因此网挢工作的基本要素是： a ) 转交和过滤m a c 帧，网桥把从一个端口收到的数据帧按照一定的原则进行转交或过滤 操作； b ) 对决定转交和过滤工作的数据库进行维护，网桥数据库必须自2 反映桥接局域删的拓扑结 构以过滤可能的重复帧。除此之外，网桥数据库必须维护如下信息，删桥协议保留 m a c 地址的永久配置、静态过滤信息( s t a t i cf i l t e r i n gi n f o r m a t i o n ) 的外部显式配置、 通过学习网络数据帧的源m a c 地址更新动态过滤信息( d y n a m i cf i l t e r i n gi n f o r m a t i o n ) 、 对动态过滤信息进行老化处理； c ) 对上述工作进行管理。 在具体讨论协议对数据帧的操作之前有必要对网桥的结构模型进行说明，典型的两端口 网桥( 图1 2 2 ) 由两个端口( p o r t ) 、高层实体( h i g h e r l a y e r e n t i t i e s ) 和连接端口的m a c 转交实体( m a cr e l a ye n t i t y ) 三部分组成： 7 东南大学硕士学位论文 第一章无线阀桥相关技术 端口( p o r t ) ：每个端口对应一个局域网l a n ，并完成对该l a n 的帧的接收和发送工作。 与一个端口相关的m a c 实体提供该端口数据帧收发的内部子层服务和与m a c 实现相关的 功能。端口可以通过外部管理关闭，也可以被生成树协议s t p 在内部自动的关闭。关闭的 端口不参与桥接l a n 的任何工作。 m a c 转交实体( m a cr e l a ye a t t y ) ：m a c 转交实体处理与m a c 实现无关的帧的转 发、帧的过滤和过滤信息的学习。它利用对应各端口的不同m a c 实体提供的内部子层服务 ( i n t e r n a ls u b l a y e rs e r v i c e ) 来完成和对应端口的通信。 高层实体( h i g h e r l a y e r e a t | t y ) ：包括网桥协议实体和网桥管理实体等，对桥接局域网的 拓扑结构进行计算和配置，网桥协议实体中最重要的就是将在下一节讨论的s t p 生成树算法。 对于数据帧的转发、过滤和过滤数据库的自动维护和更新工作都是在m a c 转交实体中 的转交过程( f o r w a r d i n gp r o c e s s ) 学习过程( l e a r n i n gp r o c e s s ) d 相关的过滤数据库( f i l t e r i n g d a t a b a s e ) 完成的，下面就分别对这三个部分进行比较详细的讨i 晗。 转交过程( f o r w a r d i n gp r a c e s s ) ；从各个端u 收到的数据帧都要提交给转交过程，以根 据端口状态和过滤数据库的信息决定其转交或过滤。具体的处理流程( 图1 - 2 3 ) 如下所示： 1 ) 当从一个端口( 接收端口) 接收到数据帧时，转交过程首先寻找其可能的发送端口， 发送端口的确定必须同时满足如下条件： a ) 接收端口必须为转交( f o r w a r d i n g ) 状态； b ) 潜在发送端口的状态必须也处于转交状态： c ) 接收端口不能成为潜在发送端口： d ) 数据帧的长度不能超过潜在发送端口对应l a n 所支持的最大m s d u ( m a c s e r v i c ed a t au n i t ) 长度。 一旦上述四个条件都满足转交过程就完成发送端口的确定，并进入下一阶段处理数据帧的过 滤，否则对数据帧作抛弃处理。 2 ) 数据帧的过滤与否完全基于如下： a ) 数据帧所携带的目的m a c 地址信息： b ) 过滤数据库所记录的关于该接收端口 d m a c 地址的信息： 东南大学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 c ) 潜在发送端口的默认组地址过滤信息。 具体的过滤过程在下面的部分有详细的讨论。数据帧一旦通过过滤处理，就可以从潜在发送端口 发走，但是必须注意的是，在发送之前还必须考虑接收端口的m a c 类型和发送端口的m a c 类型 是否一致如果不一致，还要完成f c s 的重新计算，以保证网桥的透明性。 图卜2 3 转交处理过程 学习过程( l e a r n i n g p r o c e s s ) ：图1 - 2 4 所示的学习过程对从每个端口收到的帧的源 m a c 地址进行分析，并根据接收端口的状态有条件的更新过滤数据库的相关信息。学习过 程通过这种对数据帧源地址的分析来演示数据帧是如何通过桥接网络完成传输的。学习过程 会向过滤数据库中添加或更新条信息条目( e n t r y ) 来关联收到帧的源m a c 地址和接收端 口，但是条目的建立或更新，如下条件必须同时满足： a ) 接收端口的状态必须允许这种对m a c 地址的学习； b ) 数据帧的源m a c 地址必须对应一台特定的站点，它不能是组地址； c ) 在对应接收端口的过滤数据库中不存在有关此源m a c 地址的静态过滤条目( s t a l i c f i l t e r i n ge n t 叫) ； d ) 过滤数据库的信息条目数不能超过最大容量，如果过滤数据库已经达到最大容量t 但是 需要加入一个新条目的话，必须删除原先存在的一个条目。 9 东南大学硕士学位论文第一章无皇主啊桥相关技术 过滤数据库( f i l t e r i n gd a t a b a s e ) ：过滤数据库是网桥维护的一个有关数据帧处理的信 息库。h i 管是转交过程还是学习过程都离不开对过滤数据库的查询和修改操作。也就是说过 滤数据库是整个网桥的核心部分，过滤数据库由多项过滤信息条目构成( e m r v ，这些过滤 条目根据其创建和运作方式可分为两类：静态过滤条目( s t a t i cf i l t e r i n g e n t r y ) 和动态过滤 条目( d y n z a l u cf i l t e r i n ge n t r y ) ，静态过滤条目由网桥的外部管理加入或删除动态过滤条 目由网桥内部正常工作和所支持协议加入或删除。虽然动态条目和静态条目都由一个m a c 地址和端口匹配表( p o r t m a p ) 两个元素构成，但还是存在某些不同的，具体的不同在对静 态条目和动态条目的讨论巾可以看出： 静态过渡条目；静态过滤条目的m a c 鲍璇元素可既是荦播迪址也可以 足组播地址等，端u 匹配表为每个发送端口定义一个控制元素，控制元 素用来说明符合该条目的数据帧在每个对应发送端口上执行发送还是 过滤。静态条目一旦存在就不会消失，除非通过外部管理人为的删除。 动态过滤条目；动态过滤条目的m a c 地址元素只可能是单播地址，端 口匹配录中也只有一个发送瑞口。动态过滤条目由学习过程( l e a r n i n g p r o c e s s ) 创建和更新。如某动态过滤条目在创建或上一次更新一段时间 之后还没有得到更新，那么该动态过滤条目将会被删除这个过程本文 称呼为超时老化( a g e i n go u t ) 。需要注意的是，在过滤数据库中，对于 一十特定豹m a c 地址豹动态过滤条目雎。动态过滤条目约加入不能 通过外部管理进行。并且过滤数据库中一旦存在一个特定m a c 地址的 静态过滤条目，就无法创建相应的动态过滤条目。即使是数据库中已包 含一个特定m a c 地址的动态过滤条目，如果外部管理想加入此m a c 地址相应的静态管理条目的话，原来的动态过滤条目中与之冲突的信息 会被删除。直至整个动态过滤条目韵删除。上面提到的动态过滤条目龄 超时老化( a g e i n g o u t ) 机制保证了终端站点从桥接网络中的一个l a n 移动到另一个l a n 时的正常数据收发工作，同时也考虑到了网络拓扑 改变对过滤数据信息的影自。对于这个超时老化的具体时间，协议规定 0 东南大学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 可以通过管理来进行设置，对此，协议给出了一个时间范围1 0 秒 1 0 0 0 0 0 0 秒，并给出了推荐值3 0 0 秒。 本小节主要讨论了网挢协议有关数据帧处理的相关部分，包括数据帧的转发原则、源 m a c 地址的学习和相关过滤数据库的维护等关键的部分。在协议中与数据帧处理相关的还 有网桥的管理功能等，有兴趣的可参阅i e e e 8 0 2 1 d 的具体协议。 1 2 3 s t p 生成树算法和协议 s t p 生成村算法协泌是i e e e 8 0 2l d 协议的重要的一部分。在上面已提到s t p 生成树算 法工作在高层协议实体，如图1 2 - 2 所示。 生成树算法协议在i e e e 8 0 2l d 中的引入，是基于桥接网络中存在这样一个事实：当多 个局域网通过多个网桥连接成个局域网对，在这个桥接局域刚中可能存在数据帧不停兜圈 子( l o o p ) 的问题。典型的情况如图1 2 5 所示的两个局域网之间有两个刚桥。设站a 发送 一个帧f ，但其目的地址均不在这两个网桥的站表中，因此每个网桥都转发帧f 。网桥1 转 发帧f ，到达局域网2 后记为f 1 。网桥2 转发帧f 到达局域网2 后记为f 2 。接着f 2 传到 网桥1 而f 1 传到网桥2 。网桥2 和网桥1 分别受到f 1 和f 2 之后，又将它们转发到局域网 i 。这样就引起一个帧在网络中不停的兜圈子，从而使网络无法正常工作。 网2 网i 图1 - 2 5 网桥引起的兜圈子 在这个典型的拓扑中，生成树算法协议会把其中一个网桥阻塞，从而在逻辑上保持局域 网l 和局域网2 之间只存在一个通路。概括地讲，生成树算法协议会把一个具有任意物理连 接的桥接局域网配置成一个站与站之间只具有唯一通路的简单相连的树形拓扑结构。 s t p 中的概念： 在讨论生成树算法协议的运行过程之前，有必要介绍其相关的概念： 一根网桥( r o o t b r i d g e ) 在一个稳定的桥接嘲络中，根网桥是唯一的，它处于整个树形拓扑的最顶端。根网桥定 时地向整个桥接局域网发布包含特定协议信息的网桥协议数据单元b p d u 帧，在整个桥接 局域网中的所有非根网桥都会获得根网桥发布的协议信息，从而保证所生成的树形拓扑的稳 定。一旦根网桥停止发布特定的协议信息超过一段时间之后，整个桥接局域 i ；| | 中的所有网桥 会重新协商以生成新的稳定的树形拓扑结构。 一指定端口( d e s i g n a t e dp o r t ) 桥接局域网中的每一个l a n 都有对应的一个网桥端口，l a n 通过这个端口向根网桥方 向转发数据帧。而根网桥方向的数据帧也通过这个端口向l a n 转发。对于这个l a n 来讲， 东南大学硕士学位论文 第一章无线网桥相关技术 此端口就是它的指定端口( d e s i g n a t e d p o r t ) 。 一指定网桥( d e s i g n a t e db r i d g e ) 指定网桥是相对于桥接局域网的各个l a n 而言的。每个l a n 都有一个网桥，l a n 通 过这个网桥和根网桥方向进行通信。对于这个l a n 来讲，这个嘲桥就是它的指定网桥。每 个指定网桥( d e s i g n a t e d p o x ) 都有多个指定端口( d e s i g n m e d p o r t ) 和一个根端口( r o o t p o r t ， 如果有的话) 构成。根网桥( r o mb r i 姑e ) 其实也是指定网桥，只不过它是整个桥接局域网 的指定网桥罢了。 一根端口( r o o t p o r t ) 根端口指指定网桥上最“靠近”根网桥的端口，指定网桥最多只可能有一个根端口。对 于根网桥来讲，其本身既是根网桥又是指定网桥。因此根网桥就不存在根端口( r o o t p o r t ) 的概念。 一备用端口( a l t e r n a t ep o r t ) 整个桥接局域网中的各个网桥上的所有端口不可能都被选为指定端口和根端1 2 1 。剩下的 这些端口可以称之为备用端口( a l t e m a t ep o r t ) 。顾名思义，备用端口会在指定端口或根端 口失效的情况下，而成为新的指定端口或根端口。需要指出的是那些通过外部管理而使端口 状态( 端口的状态将在下面讨论) 为关闭的端口则不能称之为备用端口，因为这些关闭的端 口并不参与网挢的工作，除非通过外部管理打开。 一网桥标识( b r i d g ei d e n t i f i e r ) 在整个桥接局域网中的每个网桥都有一个唯一的标识，网桥标识是整个桥接局域网选择 根网桥的唯一依据。为了保证每个网桥标识的唯一性，在8 0 2 1 d 协议中，网桥标识由8 个 字节组成，分为两部分：2 字节的网桥优先权( p r i o r i t y ) 和6 字节的网桥m a c 地址。其中 网桥优先权( p r i o r i t y ) 是可以管理设置的，协议默认值是0 x s 0 0 0 。而6 字节m a c 地址部 分是采用网桥多个端口的最小m a c 地址填充。由于m a c 地址的唯一性，也就保证了网桥标识 的唯一性。 2o c t e t s 6o c t e t s 1o c t e t sio c t e t s | 一b r i d g ei d e n t i f i e r - j l i p o r ti d e n t i f i e r 一 一端口标识( p o r ti d e n t i f l e t ) 对于每个网桥来讲，它的每个端口都分配一个唯一的标识，端口标识在8 0 2l d 油、议中 规定为2 字节长，其中一个字节称呼为端口优先权( p o r tp r i o r l t y ) ，它是可以通过外部管 理进行更改的协议给出的默认值是1 2 8 ( 0 x s 0 ) 。另一个字节是网桥协议按照升序的原则 把从零开始的整数依次分配给网桥的各个端口，采用这个方案既保证了每个网桥上端口标识 的唯一性。叉便于通过更改端口优先权对网桥协议的工作进行干涉。 一路径花费( p a t hc o s t ) 路径花费是指当个端口成为根端口时，数据帧通过该根端口所连接的l a n 向上一级网桥 传递时所花费代价的一个度量尺度。路径花费是针对于网桥的各个端口而言的，每个端口都保存 有自己的路径花费参数。这个路径花费参数的取值跟端口所连接的l a n 传输速率有关。协议给 出了对应于不同速率的路径花费的推荐值和取值范围，如图1 2 - 6 所示。 2 东南大学硕士学位论文第一章无线网桥相关技术 r e c o m m e n d e dr e c o m m e a d e d p l r a m e t e rl a n ks p e e d 融n 掌 v a l u e 恻n 叠e p a t hc o s