（通信与信息系统专业论文）宽带无线ip网络中实用化移动终端的研究与实现.pdf

创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢中罗列的内容以外，论文 中不包括其他人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其他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所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：埤 日期：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名：蛸 导师签名 日期：鲨兰：2 开期：区盟：l 摘要 宽带无线i p 技术将无线通信技术和计算机网络技术有机的结合起来，它可使 移动终端在无线传输信道上高速接入，并在网中漫游，实现真正意义上的移动办 公。移动终端作为宽带无线i p 网络的重要组成部分，面向最终用户，它的设计与 实现至关重要。本文本着实用化的宗旨以目前的主流操作系统w i n d o w s 为开发 平台，开发了无线网卡的驱动程序。在此基础上，为了方便用户对无线网卡进行 配置管理，又开发了与其配套的配置管理软件，并已投入商业使用。同时本文还 针对无线局域网的安全问题进行了探索和研究，分析了i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网所 提供的安全服务的缺陷，提出了基于数字证书系统的安全方案，完成了安全软件 的开发，并建立了安全实验系统对该软件进行了测试。 关键词：宽带无线i p 网络 配置 移动终端驱动程序 网络安全 a b s t r a c t t h ee f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t e rn e t w o r k i n g t e c h n o l o g yd u et o b r o a d b a n dw i r e l e s si pt e c h n o l o g ym a k e sh i g h s p e e dw i r e l e s s i n t e r a c ta c c e s sar e a l i t ya n de n a b l e sm o b i l et e r m i n a l st or o a l t ls m o o t h l y , w h i c hb r i n g s t h er e a lm o b i l eo f f i c e m o b i l et e r m i n a l ，ac r i t i c a lp a r to ft h eb r o a d b a n dw i r e l e s si p n e t w o r k ，a c t sa st h ei n t e r f a c eb e t w e e ne n du s e r sa n dn e t w o r k s t h u si t sd e s i g na n d r e a l i z a t i o na r ev e r yi m p o r t a n t w i t ht h ep u r p o s eo fp u t t i n gt h i n g si n t op r a c t i c a lu s a g e ， t h i sp a p e rp r e s e n t sd r i v e rs o f t w a r er u no nw i n d o w sp l a t f o r mf o rt h ew i r e l e s sn e t w o r k i n t e r f a c ec a r d m e a n w h i l e ，f o rt h ec o n v e n i e n c eo fu s e r s ，t h ec o r r e s p o n d i n g c o n f i g u r a t i o nu t i l i t yi sd e v e l o p e da sw e l l ，w h i c hi sa l r e a d yc o m m e r c i a l l yu s e di nt h e m a r k e t b e s i d e s ，w ef i n dt h a tt h e r ee x i t sac r i t i c a ls e c u r i t yp r o b l e mw i t h i nt h e8 0 2 1 1 w i r e l e s sn e t w o r k s t h i sp a p e rp r e s e n t sas e c u r i t ys c h e m et om e e tt h er e q u i r e m e n tf o r s e c u r i t ys e r v i c e sp r o v i d e db yw i r e l e s sl a n s t h es c h e m e i sb a s e do nt h ed i g i t a l c e r t i f i c a t es y s t e ma n dap r a c t i c a ls e c u r i t ys y s t e mi sf i n a l l ys e tu p s e c u r i t ye x p e r i m e n t s a r ea l s od o n ef o rs o f t w a r ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s k e y w o r d ： b r o a d b a n dw i r e l e s si pn e t w o r km o b i l et e r m i n a ld r i v e r c o n f i g u r a t i o n n e t w o r ks e c u r i t y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 近年来i n t e m e t 和移动通信的高速发展，标志着人们对快捷数据访问的需求不 断增加，它们分别支持大容量信息资源的有效访问和可以随处漫游的个人通信， 将深刻影响未来信息高速公路的发展。如何结合各自的技术优势，不受信息源的 限制和用户访问时位置的限制，以统一的标准向用户提供无处不在的信息网络服 务，成为网络界和电信业界共同关注的一个焦点问题。宽带无线i p 技术，将无 线通信技术和计算机网络技术有机的结合起来，为给用户提供高效、便捷的i n t e m e t 接入服务开辟了一条崭新的道路。 宽带无线i p 网络有不同的实现方式，在本文的研究范围内，以无线局域网作 为基础构建宽带无线i p 系统。目前，无线局域网正以其高效、灵活、组网迅速、 易扩展等优点在当今的信息社会中发挥着日益重要的作用。并且，随着宽带无线 i p 技术的日益成熟，无线局域网不在仅仅定位于有线l a n 的延伸，而是作为一种 高速无线i n t e r n e t 接入技术，使移动终端在无线传输信道上高速接入，并可在网中 漫游，实现真正意义的移动办公。 1 2 宽带无线i p 技术及其组网 如何有效的接入高速信息网是近年来人们的研究热点，而对无线接入的研究 则更为活跃。宽带无线i p 技术在无线计算网络的基础上，为在子网间漫游的移动 终端提供无缝的、高速的、透明的接入服务。它的实现主要包括两个方面： ( 1 ) 宽带无线接入系统 主要提供一定范围的高速无线接入，其速率为1 m b p s 一1 0 m b p s 。它由宽带无线 接入终端( m t ) 、无线接入点( a p ) 等设备组成。 ( 2 ) 移动i p ( m o b i l ei p ) 它在宽带无线接入系统之上，增加无线接入服务器( w a s ) ，将高速无线数据 传输技术、移动通信系统的越区和漫游技术及i e t f 在移动i p 方面的一些建议有 机的结合起来，为用户提供漫游服务，以提供高效的i n t e m e t 接入。 图11 绘出了基于i n t e m e t 的宽带无线接入网络的示意图。它由宽带无线接入 终端( 移动终端m t ) 、无线接入点( a p ) 及无线接入服务器( w a s ) 等设备组成， 无线接入网通过路由器与i n t e r n e t 互连，支持包括e m a i l 、w w w 浏览及f t p 等业 2宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 务。无线接入终端与无线接入点之间( 即空中接口协议) 采用2 4 g h z 及以上频段 的无线信道，实现2 m b p s 一1 0 m b p s 的高速数据传输；无线接入服务器为无线终端提 供接入管理和移动性管理等。无线接入终端可在网中自由移动，无线接入点要实 现包括越区切换在内的小区管理，而无线接入服务器则要实现无线接入终端的网 间漫游的管理。 图1 1 宽带无线接入网示意图 宽带无线i p 系统，在宽带无线传输信道上，支持移动i p 技术，为用户提供 了完善的移动环境下的业务平台，使得用户可以随时随地进行高效的i n t e r n e t 信息 资源访问和交换。 1 3 无线局域网 1 3 1 无线局域网简介【2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 8 1 1 9 1 支持无线i n t e m e t 接入的一个主要方法是采用无线局域网。无线局域网是指采 用无线传输媒质的计算机局域网，它是二十世纪9 0 年代计算机网络与无线通信技 术相结合的产物，提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的 通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。它可采用无 线电或红外线作为传输媒质：采用扩展频谱技术；移动终端可通过无线接入点来 实现对i n t e m e t 的访问。 无线局域网具有安装的灵活性、网络配置的伸缩性、网络的移动性及低成本 等优点，用户不用寻找接口就可以接入共享信息，而网络管理者不用安装或移动 网线就可以建立或扩充网络。无线局域网在方便性、维护成本等方面都优于传统 的有线网络。 第1 章绪论 无线局域网已经存在将近十年了，由于一直定位于有线网络的延伸，并且各 个公司的产品互不兼容且支持的数据传输速率较低，它并没有得到广泛的发展。 随着无线局域网标准的定制以及宽带无线i p 技术的发展，无线局域网已经作为一 种高速无线i n t e r n e t 接入技术，成为无线通信技术的热点之一。 无线局域网技术发展至今，主要分为两大协议体系：i e e e 8 0 2 1 l 协议标准体 系和欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定的h i p e r l a n 协议标准体系。 i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，它定义了物理层( p h y ) 及媒体访问控制层( m a c ) 的结构。它的主要特点如下：可采用无线电或红外线 传输媒质：在世界范围的i s m 频段使用，可采用跳频扩频( f h s s ) 和直接序列扩 频( d s s s ) 两种扩频技术：无线接入协议采用载波侦听多路访问冲突避免 ( c s m a c a ) 协议：具有节能管理和安全认证。由于i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距 离上都不能满足人们的需要因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l a 两个新标准。其中，8 0 2 1 1 a 扩充了标准的物理层，工作在5 g h z u n i l 频带，采用 q f s k 调制方式，传输速率为6 m b s 一5 4 m b s ；8 0 2 1 1 b 则规定了多速率机制的媒 质访问控制( m a c ) ，能够支持5 5m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。它从根本上改 变了w l a n 的设计和应用现状，扩大了w l a n 的应用领域。目前i e e e 8 0 2 1 l 的扩展标准更是倍受瞩目。作业部门“8 0 2 1 l e ”及“8 0 2 1 l f ”主要是在现有的 8 0 2 1 l b 及8 0 2 1 1 a 的m a c 层追加q o s 功能及安全功能：作业部门“8 0 2 1 1 9 ”则探 讨扩展物理层标准i e e e 8 0 2 1 l b ，使最高数据传输速度从目前的1 1 m b s 提高到 2 0 m b s 以上。 无线局域网的另一个标准h i p e r l a n 所制定的标准有4 个：h i p e r l a n l 、 h i p e r l a n 2 、h i p e r l i n k 和h i p e r a c c e s s ，其中h i p e r l a n l 和2 用于高速无线l a n 接入，h i p e r l i n k 用于室内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 则用于室外对有线通信设施 提供固定接入。h i p e r l a n 2 在无线l a n 频谱利用上有很大突破，它采用5 g h z 频带：采用正交频分复用( o f d m ) 调制；原始物理层的速率可达5 4 m b p s ，传输 层的速率可以保持在2 0 m b p s 左右；它在高速率下支持q o s ，对像视频和话音一类 实时应用提供了新的途径；对多种类型的网络基础结构( 如以太网、a t m 等) 提 供连接，并且对每一种连接都具有安全认证和加密功能；具有自动频率管理功能。 但是其成本较高，且功耗大。 在本文所研究的宽带无线i p 系统中，采用的是8 0 2 1 l b 标准，与1 9 9 7 年的标准 相比，在物理层、数据链路层以及漫游功能、点协调功能、安全机制等方面都有 很大的改进，而在性能上其速率最高可达到1 l m b p s ，与有线网相当，且成本适中， 可以达到实用化的目的。这也是目前大多数无线局域网厂商采用的标准。 1 3 2i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的组网模式 4 宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 i e e e 8 0 2 1 1 标准支持两种组网模式：一种是单区网络( a dh o c ) ；一种是多区 网络( i n f r a s t r u c t u r e ) 。( 分别如图1 2 和图1 3 所示) ( 1 ) 单区网络( a dh o cw l a n ) 该组网模式允许无线终端在无线网络的覆盖区域内移动，并利用无线信道上 的c s m a c a 机制来自动建立点到点的对等连接，这种网络中节点自主对等工作， 对于小型的无线网络来说，是一种方便的连接方式。 l 图1 2 单区网络 目前单区无线局域网的发展的最新提法是m3 网络( m o b i l em u l t i m e d i a 和 m u l t i h o p ) ，能够快速配置和实现多媒体业务，在战区系统、灾难恢复现场等应用 上较为活跃。通过在分布式的结构中采用移动中继设备，有效的实现了多跳，扩 大了单区的范围。分布式环境适合报文交换，通过在多跳环境中采用一些面向连 接业务的协议，如m a c a p r ( m u h i p l ea c c e s sc o l l i s i o na v o i d a n c ew i t hp i g g y b a c k r e s e r v a t i o n s ) 等也可以实现对实时性业务的支持。 ( 2 ) 多区网络( i n f r a s t r u c t u r ew l a n ) 该组网方式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这 是8 0 2l l 最常用的方式。 。 g 图l3 多区网络 此时，需要无线接入点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 的支持，a p 负责监管一个小区 第1 章绪论 并作为移动终端和主干网之间的桥接设备。在a p 监管的小区内，各移动终端以及 a p 可以通过c s m a c a 机制共享无线信道，这称为分布式协调功能( d c f ) ：也 可以以a p 作为点协调器，以点协调器来决定在小区内哪一台移动终端具有当前 时间的发帧权利，这称为点协调功能( p c f ) 。当无线网络节点增多时。网络存取 速度会随着范围扩大和节点的增加而变慢，此时添加接入点可以有效控制和管理 频宽与频段。 1 4 本文研究的主要内容 本文来源于国家8 6 3 计划通信技术主题重大课题宽带无线i p 技术。移动终 端作为宽带无线i p 系统的重要组成部分，面向最终用户因此它的设计与实现至关 重要。早期的宽带无线i p 网络中，移动终端的软件均是在l i n u x 平台下开发的，虽 然可以使无线网卡正常工作，但是安装以及配置都不便于用户操作。为了达到实 用化的目的，本文完成了w i n d o w s 操作系统下移动终端软件的研究与开发，主要包 括无线网卡( p c m c i a 插槽) 的驱动程序及其配置管理软件。i n t e m e t 的发展使得 网络安全成为急需解决的问题，本文还就无线局域网的安全问题，提出并实现了 基于数字证书系统的安全方案。 论文首先在第二章中提出了宽带无线i p 网络中移动终端的总体设计方案：然后 在第三章中，作为驱动程序编写的基础，对无线网卡驱动程序的软件开发环境以 及无线网卡的软件编程接口进行了分析，着重描述了无线网卡驱动程序中的几个 重要模块的实现过程，并进行了驱动程序的编译和安装。接着，为了便于用户对 无线网卡进行配置管理，在论文的第四章中，完成了无线网卡管理软件的设计与 实现。最后，针对无线局域网的安全问题，论文在第五章中具体分析了无线局域 网的安全隐患以及i e e e8 0 2 1 1 标准所提供的安全服务中的不安全因素，并根据无 线局域网的特点，提出了基于数字证书系统的安全解决方案，进而搭建试验环境 模拟整个安全系统，对安全软件进行了测试。 总之，本文本着实用化的目的，尽量为用户提供方便的操作及友好的界面。 并为用户能够快捷、安全的接入i n t e m e t 做出努力。 6宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 第2 章宽带无线i p 网络中实用化移动终端的实现方案 要开发符合宽带信息网发展和将来信息服务需要的高数据速率和高频谱利用 率的宽带无线i p 技术，如何实现移动终端是关键的一步。为了使用户能够通过宽 带无线i p 技术快捷、高效的接入i n t e m e t ，我们从用户的角度出发，设计和实现移 动终端。 2 1 移动终端的组成 移动终端是指在移动过程中仍在访问局域网的主机，在这里应该将移动终端和 普通的便携计算机区分开来，便携机可以从一个地方移动到另一个地方，但是它 在应用时是固定的，这是它和移动终端的最本质的区别。 因此要做到真f 的移动访问i n t e r n e t ，必须将便携式计算机和宽带无线网卡结 合起来，并配咀相应的驱动软件和应用软件。在本文研究的系统中，移动终端的 硬件采用带有p c m c i ai i 型插槽的便携式计算机和宽带无线网卡( p c m c i ai i 插 槽) 的组合，如图2 1 所示：移动终端的软件部分则分为无线网卡固件( f i r m w a r e ) 、 无线网卡驱动程序( d r i v e r ) 、无线网卡配置管理软件和客户端漫游软件四部分。 目自u ，应用1 二无线环境上的业务不断扩展，为了使无线网卡能支持多媒体和未来 的宽带业务，我们采用了i n t e r s i l 公司在1 9 9 9 年推出的p r i s m 一2 套片系列，这样 在其基础上开发的宽带无线网卡的数据传输速率可达到1 1 m b p s 。由于便携式计算 机拥有优异的硬件平台，成熟的操作系统，以及丰富的应用软件，因此无须开发 专用的计算机平台，这将大大的减少开发无线网卡软件的难度和工作量。同时， 由于便携式计算机的逐渐普及，本文研究的设计方案将使得宽带无线i p 网络走进 人类牛活的每个角落，随时随地为用户提供高效、安全的i n t e r n e t 接入服务。 一_ 田 宽带无线网卡 图2 1 宽带无线i p 网络中移动终端的组成 目6 u ，用户更多使用的还是台式计算机，具有u s b 接口的宽带无线网卡就有 了用武之地。使用无线网卡可以允许网络配置成多种拓扑结构以满足特定应用和 安装的需求，因此在组建局域网时，无线局域网不失为一个好的选择。但是这种 台式机和u s b 接口的无线网卡的组合从严格意义上讲不属于移动终端的范畴，在 本文中不进行详细讨论。如果不加注释，本文中所讨论的无线网卡均为p c m c i a 第2 章宽带无线i p 网络中实用化移动终端的实现方案 7 i i 型插槽的无线网卡。 2 2 宽带无线网卡的组成 实现移动主机的核心是对无线网卡硬件的设计以及配套的软件的开发。在这一 节中，将从软硬件几个方面探讨无线网卡的组成。 2 2 1 无线网卡的硬件组成 无线网卡是实现无线局域网的硬件基础。在逻辑结构上，一般由n i c 、b b p 、 i f 和r f 四部分组成，如下图所示。 ，! 无线网卡 射频 中频基带 管錾薷 图2 2 无线网卡组成原理图 其中： n i c 叫e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 为网络接口控制单元，完成移动主机与网 络物理层连接的接口控制； b b p ( b a s eb a n dp r o c e s s o r ) 是基带处理单元： i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 是中频调制解调器； r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 是射频单元 n i c 单元的实现符合i e e e 8 0 2 1 l 协议规范的m a c 层功能。在本方案中采用 i n t e r s i l 公司的h f a 3 8 4 1 作为网络接口芯片，将在下一节中做详细介绍。当移动主 机发送数据时，n i c 负责接收主机发送的数据，按照一定的格式封装成帧，然后 根据多址接入协议( i e e e 8 0 2 1 1 协议标准采用的是c s m a c s 的多址接入方法) 把数据帧发送到无线信道中去。当接收数据时，n i c 根据接收到的帧头中的目的 地址，判别是否发往本机，如果是，则接收该帧信息，并进行c r c 校验，拆去帧 头，把数据提交给主机。为了实现上述功能，n i c 还需要完成发送和接收缓存的 管理，通过微机总线进行d m a 操作和i 0 操作，与微机交换数据。 射频、中频和基带三个单元组成一个通信机( p h yt r a n s c e i v e r ) ，用来实现物 理层功能，并与n i c 进行必要的信息交换。由于宽带无线i p 网络中的通信业务具 8宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 有宽带、突发的特点，因此对通信机提出了更高的要求。 基带处理单元( b b p ) 在发送数据时对数据进行调制，i f 处理器把基带数据 调制到中频载波上去，再由r f 单元进行上变频把中频信号变换到射频上发射。 在接收数据时，先由r f 单元把射频信号变换到中频上，然后由i f 处理器进行中 频处理，得到基带接收信号。b b p 对基带信号进行解调处理，恢复位定时信息， 最终把获得的数据交给n i c 处理。 事实上，在物理实现上可以将不同的功能单元组合到一起。例如n i c 与b b p 处理器都工作在基带，可以将两者集成到一起：中频处理器也可以全数字化，它 与b b p 处理器结合在一起可以更方便地实现一些功能。 2 2 2w l a n 媒体访问控制器i - i f a 3 8 4 1 1 1 3 1 1 1 4 l i l 5 l i l 6 1 1 1 7 1 1 1 8 i 作为媒体访问控制器，h f a 3 8 4 l 能够最优化地实现i e e e 8 0 2 1l 协议标准所规定 的m a c 层功能，以低功耗支持l m 、2 m 、5 5 m b p s 、1 1 m b p s 等数据传输速率，有一 个内部的加密模块可实现i e e e 8 0 2 1 l 规定的w e p 算法，并有射频控制端口，是无线 网卡的核心。在其上可以根据不同的操作系统( w i n d o w s 、l i n u x 等) 开发驱动程 序和配置管理软件。图2 3 给出了h f a 3 8 4 1 的简化框图。 作为网络接口芯片，h f a 3 8 4 1 要同主机系统进行一系列操作，包括主机对通信 过程的控制和一些必要的握手信号。 图2 _ 3h f a 3 8 4 1 简化模块框图 h f a 3 8 4 1 直接同h f a 3 8 2 4 或h f a 3 8 6 x 系列基带处理芯片进行交互操作( 在本方 案中使用h f a 3 8 6 1 ) ，提供完全的端到端的无线局域网产品的套片解决方案。对协 第2 章宽带无线i p 网络中实用化移动终端的实现方案 9 议和物理层的支持在固件( f i r m w a r e ) 中实现，允许自定义的协议和不同的物理层 的实现形式。 h f a 3 8 4 1 在设计的时候力求达到最小的功耗的同时实现最佳的性能。外部管脚 位置的设计也立足于版图的最优化。 2 2 3 宽带无线网卡的软件组成 无线网卡的软件包括基于h f a 3 8 4 1 的固件( f i r m w a r e ) 和移动终端使用的操作 系统下( 在本文中为w i n d o w s 操作系统) 的无线网卡驱动程序及其配置管理软件。 固件是宽带无线网卡上最基本的控制系统，主要基于m a c 芯片来实现对整个 网卡的控制和管理。固件完成了最底层、最复杂的传输发送模块功能，并向下提 供与物理层的接口向上提供一个程序开发接口，为程序开发人员开发附加的移 动主机应用程序提供支持。图2 4 给出了其逻辑组成图： 图2 4 网卡系统逻辑框图 固件完全实现了i e e e 8 0 2 1 1 中m a c 层的协议，支持基本的d c f ( 分布式协调 功能) 下的b s s $ i i b s s 操作，也支持可选的p c f ( 点协调功能) 方式。低层的协议 功能，女 i r t s c t s 帧的生成和确认、分段和重组、信标帧的自动检测等，都由固件 完成而无需主机的干预。 p r i s m 2 网卡中的固件分三个部分。第一个部分称为p r i m a r yf i r m w a r e ，是最基 本的网卡固件程序；第二部分称为s t a t i o nf i r m w a r e ：第三个部分称为t e r t i a r y f i r m w a r e 。第一部分和第二部分固件程序被固化在网卡的f l a s hm e m o r y 中，它们 是每一个网卡工作所必须的，因此对于移动终端，只需要前两方固件就可以了。 0 宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 第三方固件应用于a p 设备中的无线网卡，在每次启动a p 之前，加载到网卡的 r a m 中。 移动主机端的固件( 即p r i m a r yf i r m w a r e 和s t a t i o nf i 衄w a r e ) 实现的功能如 下： 带有随机退避算法的c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i m c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ； w e p ( w i r e de q u i v a l e mp r i v a c y ) 加密机制； 多速率的短长序文生成； r t s c t s ( r e a d yt os e n d c l e a rt os e n d ) 握手过程和n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 管理： m a c 层的确认信息 未确认报文的重传 多重帧复制检测和丢弃 对帧进行广播和多播 帧的分段重组 功率管理 时戳同步 分布协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n m i o n f u n c t i o n ) ( 可选) 单区网中信标帧的生成 单区网中探测响应帧的产生 在移动终端的软件中，i e e e 8 0 2 1 1 提供的服务，包括认证、解除认证、登录、 重登录等均出固件完成；无线网卡的驱动程序使用固件提供的软件编程接口，对 无线网卡进行控制，配合固件完成数据的收发以及对信息帧的处理，并向n d i s 提 供无线网卡信息查询和设置的接口。无线网卡的配置管理软件则利用驱动程序提 供的信息查询和设置接口，向用户实时提供无线网卡的状态，同时用户还可使用 该软件对无线网卡的参数进行必要的配置。 本文将在第三章和第四章中详细介绍w i n d o w s 操作系统下无线网卡的驱动程 序及其配置管理软件的实现。 2 3 小结 本小节从移动终端的组成，更主要的是移动终端的核心部分宽带无线网 卡的软硬件的组成讨论了宽带无线i p 网络中实用化移动终端的实现方案。 为了达到移动终端实用化的目的，从硬件上我们采用了i n t e r s i l 公司推出的高 第2 章宽带无线i p 网络中实用化移动终端的实现方案 速扩展芯片组，以满足多媒体等宽带业务的需求：从软件上，我们采用目前最流 行的操作系统w i n d o w s 作为开发平台，开发出w i n d o w s 下的驱动程序，并配合无 线网卡的固件程序完成m a c 帧的收发，其中驱动程序完成对部分硬件的驱动并将 m a c 帧传给固件，而固件则负责将m a c 帧交给物理硬件。为了用户能够方便的对网 卡进行配置和管理，还开发了相应的配置管理软件。此外，还应该为用户加载 m o b i l ei p 客户端软件。以向在子网间漫游的用户提供无缝、透明、高速的i n t e m e t 服务，此方面的内容不在本文的讨论范围之内。在下两章中，将详细讨论宽带无 线i p 网络中实用化移动终端软件的设计与实现。 1 2 宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 第3 章无线网卡驱动软件的实现 宽带无线i p 网络中移动终端的实现不仅要求优秀的硬件设计以达到良好的物 理性能，更离不开其配套软件的支持。早期的宽带无线p 网络中，移动终端的软 件均是在l i n u x 平台下开发的，虽然可以使无线网卡正常工作，但是安装以及配置 都不便于用户操作。虽然近年来l i n u x 操作系统以其特有的优越性在服务器、嵌入 式系统等方面得到了广泛的应用，但是作为p c 用户，w i n d o w s 在很长一段时间内 仍然是主流操作系统。因此为了达到实用化的目的，我们着力于开发w i n d o w s 平 台下的移动终端软件，向用户提供一个友好的界面，使用户只需进行简单的操作， 就能够从容使用无线网卡进行i n t e m e t 接入，并对无线网卡进行一些常用的配置。 同时也为宽带无线i p 网络的普及做出了很大的贡献。 本文讨论的实用化移动终端软件主要包括无线网卡固件、无线网卡驱动程序 和无线网卡的管理软件三个部分。其中无线网卡固件的实现已经在上一章中介绍 过了。本章主要分析w i n d o w s 平台下无线网卡驱动软件的实现，对于无线网卡的 配置管理软件的实现将在下一章中进行描述。 3 1 无线网卡驱动软件的软件环境 本文的无线网卡驱动程序是在w i n d o w s n t 4 0 的环境下编写的。本小节主要 介绍了与驱动程序设计有关的整个w i n d o w sn t 操作系统的结构特点，并给出了与 w i n d o w sn t 驱动程序相关的基础知识。 3 1 1w i n d o w sn t 操作系统概述【2 呲1 1 i i2 幡脚 ( 1 ) w i n d o w sn t 的硬件特权极 从i n t e l8 0 3 8 6 开始，出于安全性和稳定性的考虑，该系列的c p u 可以运行于 r i n 9 0 一r i n 9 3 从高到低四个不同的权限级别，对数据也提供相应的四个保护级别。运 行于较低级别的代码不能随意调用高级别的代码和访问高级别的数据，而且只有 r i n 9 0 级别的代码可以直接对物理硬件进行访问。 由于w i n d o w s n t 是一个支持多平台的操作系统，为了与其他平台兼容，它只 利用了c p u 的两个运行级别： 内核模式 内核模式对应于8 0 x 8 6 的r i n 9 0 层，当c p u 运行于内核模式时一切都可以运 行，任务可以执行特权极指令，对任何1 1 0 设备有全部的访问权。操作系统的核心 第3 章无线网卡驱动软件的实现 部分，包括设备驱动程序都运行于该模式 用户模式 用户模式对应于8 0 x 8 6 的r i n 9 3 层，在这个模式中，硬件防止特权指令的执行， 并进行内存和i o 空间引用的检查此时操作系统就可以限制任务对各种i o 操作 的访问。操作系统的用户接口部分以及所有的用户应用程序都运行在该级别。 ( 2 ) w i n d o w sn t 操作系统体系结构 w i n d o w sn t 操作系统被分为许多独立的模块，如图3 1 所示，它使用“环境 子系统”的技术可用来对多操作系统进行仿真。 柱保护的子系统 内核模式 可执行层 图3 1w i n d o w sn t 操作系统体系结构 由图3 1 我们可以看出w i n d o w sn t 操作系统包含许多不同的模块，这些模块 可以被分成三组： 硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i n gl a y e r ：h a l ) h a l 提供了基于处理器结构资源的不变抽象层，使得n t 操作系统的其他部 分( 包括内核和可执行等级部件) 能够方便的使用处理器资源。由h a l 提供的工 具和资源主要包括：设备寻址、i 0 体系结构、中断管理、d m a 操作、系统时钟 和计时器、硬件和b i o s 接口以及配置管理。 对于设备驱动程序，h a l 标准接口意味着硬件访问是平台独立的。当硬件平 台发生改变时，对于正确使用h a l 访问设备的设备驱动程序并不需要改变，就可 以使它的设备在不同的硬件平台上正常运行。 系统内核 宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 w i n d o w sn t 内核是主要用来处理系统运行机理的操作系统模块，它负责为操 作系统中所有较低等级功能提供专门处理器支持。与h a l 不同，内核为基本设计 体系结构提供支持，包括处理和发送中断、存储和恢复线程环境以及多处理器的 同步。n t 操作系统的可执行层等级的部件可以使用内核提供的服务。 可执行层 可执行层在w i n d o w sn t 操作系统中是一个特殊的模块，它负责实现与操作 系统关联的许多基本功能，包括系统服务分发、管理分页池和非分页池。可执行 层由多个可执行部件组成( 如输入输出管理器、对象管理器等) ，并为用户模式进 程及它们彼此之间提供服务。可执行层组件把i o 请求从用户模式和内核线程转换 成对各种驱动程序例程的合适顺序的调用。 从图3 1 我们还可以看出，核心模式的设备驱动程序( d e v i c ed r i v e r ) 是被i o 管理器包围起来的，即驱动程序与操作系统上层的通信全部都要通过f o 管理器， 这给驱动程序的编写带来了很大的便利，诸如接收用户的请求、与用户程序交换 数据、内存映射、挂接中断、同步等麻烦的工作都由i o 管理器代劳了。 3 1 2w i n d o w sn t 驱动程序 ( 1 ) w i n d o w sn t 驱动程序的分类 在w i n d o w sn t 中，从最高的等级上，驱动程序可以分为两大类：用户模式驱 动程序和内核模式驱动程序。 用户模式驱动程序对于一个特定环境子系统来说是特定的，并且它对由这个 子系统控制的应用程序提供支持。用户模式驱动程序经常为标准内核模式驱动程 序提供子系统专门接口。在我们通常所使用的w i n 3 2 环境子系统中，用户模式驱 动程序作为动态链接库使用。 内核模式驱动程序组成了w i n d o w sn t 执行层的一部分，正如他们的名字一 样，内核模式驱动程序运行于内核模式中，它们根据硬件的通信协议，直接对硬 件进行端口访问、中断响应和d m a 传输。内核模式驱动程序可以分为如下三种： 文件系统驱动程序( f s d ) 、中间级驱动程序和设备驱动程序。本文所讨论的无线 网卡的驱动程序即为设备驱动程序的一种。 这些驱动程序按照一定的顺序组成了驱动程序堆栈，“堆栈”共同工作，全面 处理一个特定设备对象上的请求，如图3 2 所示。 第3 章无线网卡驱动软件的实现 1 5 按心模式 文件系统 驱动程序 中间缓 驱动程序 设备 驱动程序 图3 2 一个典型的w i n d o w sn t 驱动程序堆栈 但) w i n d o w sn t 内核模式设备驱动程序的结构 w i n d o w s n t 驱动程序结构使用入口点( e n t r y ) 模型。在这个模型当中，当i o 管理器想要驱动程序执行一个特定的功能，i o 管理器就会在驱动程序中调用一个 特定的例程。在驱动程序的每一个入口点，f o 管理器传递一套特定的参数给驱动 程序，使得驱动程序可以执行所要求的功能。 大多数w i n d o w s n t 内核模式设备驱动程序使用的基本驱动程序入口点如下： 驱动程序入口点( d r i v e r e n t r y ) 这是每一个设备驱动程序的入口，每次加载驱动程序时，操作系统会自动调 用这个函数。大部分的设备初始化的工作都在这个过程中完成，包括设置响应各 种用户请求的过程的入口，当用户请求到来时，使得i 0 管理器知道应调用哪些过 程来处理。 分派入口点( d i s p a t c he n t r yp o i n t s ) 当o 管理器有一个i j o 请求需要驱动程序处理时，它会调用驱动程序相应的 分派入口点( 分派入口点的选择取决于请求的i o 主函数代码) ，把一个指针传递 给驱动程序的一个设备对象，把另一个指针传递给一个i o 请求包( i or e q u e s t p a c k e t ，i r p ) 。其中i r p 用于描述要执行的i o 请求，它将在所指向的设备对象上 执行。 中断服务例程( i s r ) 只有当驱动程序支持中断处理的情况下，这个入口点才存在。在d r i v e r e n t r y 中就建立了设备中断向量与设备驱动程序之间的连接，因此当设备请求一个硬件 中断时，就会调用与之对应的i s r 。 1 6 宽带无线i p 网络中实用化移动终端的研究与实现 推迟过程调用( d e f e r r e dp r o c e d u r ec a l l ，d p c ) w i n d o w sn t 为它的内核代码分配了不同的级别。在同一个c p u 上，级别低 的过程可以被任何级别更高的过程中断。由于中断处理过程运行于较高的d i r q l 级( 与i o 设备的平台相关的中断级别) ，它们能屏蔽许多级另f l d , 于或等于它们的 过程的执行，如果它们占用c p u 时间过长，很容易使系统性能下降。因此中断处 理过程应将一些不是很紧急的任务放在d p c 的过程中，在完成数据传输等紧急任 务后将一个d p c 对象放在系统d p c 队列的末尾，然后退出，尽量早地让出c p u 。 系统将在完成所有d i r q l 级的任务后处理d p c 队列，在d i s p a t c hl e v e l 执行 每一个d p c 对象指定的d p c 过程，完成中处理断过程未尽的任务。 设备驱动程序根据不同的实现要求，还包括其他的一些入口点，如s t a r t l o 、 a d a p t e r c o n t r o l 、i o t i m e r 、u n l o a d 等等。这里就不详细介绍了。 3 i 3 网络驱动程序结构陋1 1 2 6 1 我们知道，w i n d o w sn t 中的许多网络组件都是作为内核模式驱动程序实现 的。图3 3 给出了w i n d o w s n t 的网络结构。 t d i 客户端 i 协议驱动程序 硬件抽象层 图3 - 3w i n d o w s n t 网络结构 但是作为网络驱动程序，他们不同于标准的内核模式驱动程序，而是有着自 己特有的接口规范 囝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 ) 。n d i s 描述 了在网络接口卡( n i c ) 驱动程序和其上层协议驱动及操作系统之间的一个接口， 通过这个接口可以实现一个或多个n i c 驱动程序和其上层协议驱动的通信。n i c 第3 章无线网卡驱动软件的实现 驱动程序可以依赖n d i s 实现所有的外部函数，包括与上层协议驱动程序的通信、 注册和截获n i c 硬件中断以及与底层的n i c 进行通信。由于n d i s 紧随着技术的 发展和开发商的反馈同步发展，目前n d i s 标准已经发展成为网络标准的一个完整 家族。 w i n d o w sn t 支持3 种类型的网络驱动程序： 网络接口卡( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r