（计算机应用技术专业论文）基于multitask！操作系统内核的嵌入式ap设备的研究与实现.pdf

基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a pi 5 备的研究o 实现摘要 摘要 随着无线网络的应用同益广泛，在部署无线网络的时候，如何充分利用现有的有 线网络资源成为网络应用领域的一个热点。a p 能够将有线网络和无线网络互连，在 部署无线网络的时候，可充分利用现有的有线网络资源。因此，设计功能强，配置灵 活、管理方便、安全性高的a p 设备对无线网络的推广将起着关键作用。 基予这些背景，本课题参照国内外的先进技术和经验，对a p 技术进行了深入研 究。通过对国内外已有a p 产品的分析和对比，针对一些存在的问题，本文提出和引 入了一些新的解决思路和方案：将移动i p 技术应用到a p 设计中，基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核设计和实现了嵌入式a p 设备，使用w p a 技术加强安全机制、提供认 证功能。论文的具体工作主要包括以下几个方面： 夺对现有的a p 系统进行研究，分析其各自的特点、优势以及存在的问题，针对存 在的问题，提出自己的解决方案： 基于m t t l t i t a s k f 操作系统内核和u s n e t 协议栈的直接整合，设计和实现a p 设 备的系统软件； 夺对s n m p 应用于a p 设备进行深入研究，设计和实现了a p 设备s n m p a g e n t 及 a p 设备专用m i b 库，为网管工作站提供了对a p 设备变量和表格存取的便利； 在研究r f c 2 0 0 2 2 0 0 4 的基础上，对移动l p 进行了初步的探讨，设计和实现了 移动i p 的简单原型； 夺 参照i e e e 8 0 2 1 l i 标准，对加密认证机制进行了深入研究与初步设计； 对a p 设备原型系统各项功能进行测试，并对结果进行了分析。 关键词：a p ，网桥，s n m p ，移动i p ，w p a ，w l a n 作者：陈昌洲 指导老师：陆建德 a b s t r a c t ，t h e r ，e s e a r c h a n d i m p 1 e m e n t a t i o n o f e m b e d d e d a p d e v i c e 。b a s e d o n m u r i a s k ! o s k e r n 。d a b s t r a c t w i t ht h ew l a nb e i n gu s e dm o r ea n dm o r e ，h o wt om a k ef u l lu s eo fe x i s t i n gw i r e n e t w o r k i n gb e c o m e sah o tp o i n ti nt h ef i e l d so ft h en e t w o r k i n ga p p l i c a t i o nw h e nw i r e l e s s n e t w o r k i n gi sd e p l o y e d a p sc a l lb eu s e dt oc o n n e c tt h ew i r en e t w o r k i n gw i t ht h ew i r e l e s s n e t w o r k i n g ，s ot h ee x i s t i n gw i r en e t w o r k i n gw i l lb em a d ef u l lu s eo fb ya p p l y i n ga p s w h e naw i r e l e s s n e t w o r k i n gi sb u i l t d e s i g n i n ga pd e v i c ew i t hs t r o n gf u n c t i o n a l i t y , f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o na n dh i g hs e c u r i t yw i l lp l a yk e yr o l et op o p u l a r i z et h ea p p l i c a t i o no f w i r e l e s sn e t w o r k i n g o ns u c hb a c k g r o u n d ，r e f e r e n c e dt oa d v a n c e dt e c h n i q u e sa n de x p e r i e n c e si nh o m ea n d a b r o a d , t h i sp a p e re x p l o r e sa pt e c h n i q u ei nd e p t h t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e e x i s t i n ga pp r o d u c t s ，a g a i n s ts o m ee x i s t i n gp r o b l e m s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r da n d i n 拄o d u c e ss o m en e wr e s o l u t i o nt h o u g h t sa n ds c h e m e st h a ta r et oa p p l ym o b i l ei pt oa p d e s i g n ，t od e s i g na n di m p l e m e n te m b e d d e da pd e v i c eb a s e do nm u l t i t a s k ! o sk e r n e l ，t o e m p l o yw p at e c h n i q u e t oe n h a n c es e c u r i t ym e c h a n i s ma n dp r o v i d ea u t h e n t i c a t i o n f u n c t i o n t h ep a p e r ss p e c i f i cw o r km a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 夺 s t u d yo nt h ee x i s t i n ga ps y s t e m s ，a n a l y z et h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，v a n t a g e sa n d p r o b l e m sa n dp u tf o r w a r ds o m es c h e m e sf o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m s d e s i g na n di m p l e m e n ta ps y s t e ms o f t w a r eb a s e do nt h ei n t e g r a t i o no ft h e m u l t i t a s k ! o sk e r n e la n du s n e t p r o t o c o ls t a c k 令 e x p l o r ea p p l i c a t i o no fs n m p t oa pd e v i c e , d e s i g na n di m p l e m e n ta pd e v i c es n m p a g e n ta n di t ss p e c i a lm i b ，a n ds u p p l yt h em a n a g e m e n ts t a t i o nw i t hm o r ec o n v e n i e n c ef o r a c c e s s i n gv a r i a b l e sa n dt a b l e so f a pd e v i c e 夺p r o b em o b i l ei pb ye x a m i n gr f c 2 0 0 2 - 2 0 0 4 ，d e s i g na n di m p l e m e n tas i m p l e p r o t o t y p eo f t h em o b i l ei pf r a m e w o r k ， 夺r e s e a r c he n c r y p t i o na n da u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s m d e s i g na ps e c u r i t yf r a m e w o r k ， 、i t hr e f e r e n c et oi e e e 8 0 2 1 1is t a n d a r d 夺t e s ta pd e v i c ep r o t o t y p ef o rr e a l i z e df u n c t i o n s ，a n da n a l y z et h er e s u l t s k e y w o r d s ：a p , b r i d g e ，s n m p , m o b i l e1 p , w p a ，w l a n w r i t t e nb yc h e nc h a n g z h o u s u p e r v i s e db yl uj i a n d e 基于m u l t i t a s k l 操作系统内棱的嵌入式a p 设备的研究与实现 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍a p 的研究背景，接着介绍目前国内外 p 产品的开发现状以及列 举国内外的一些 p 产品，简要分析了它们各自的特点；然后介绍本课题开发的意义、 论文所做的工作和解决的问题、基于m u t t i t a s k 操作系统内核的嵌入武a p 设备的特 点；在本章最后对本文的组织结构进行了说明 1 1 研究背景 如今，国际互联网已经渗透到人们生产生活的各个角落，有线网的规模已经达 到前所未有的广度。随着笔记本电脑的不断普及，能够随时随地上网已经成为人们的 迫切需求；同时，部署无线网无需破坏已有的建筑，且非常方便。在这种情况下，无 线网络被越来越多的用户所接受。当前，有线网络的部署已经相当广泛，如果能够充 分利用现有的有线网络，将无线网和有线网互连，将会很大程度上节约成本。 随着无线网络的应用日益广泛，在部署无线网络的时候。如何充分利用现有的 有线网络资源成为网络应用领域的一个热点。a p 能够将有线网络和无线网络互连， 在部署无线网络的时候。可充分利用现有的有线网络资源。因此设计功能强，配置 灵活、管理方便、安全性高的a p 设备对无线网络的推广将起着关键作用。 基于这些背景，本课题参照国内外的先进技术和经验，对a p 技术进行了深入研 究。通过对国内外已有a p 产品的分析和对比，针对一些存在的问题本文提出和引 入了一些新的解决思路和方案：将移动i p 技术应用到a p 设计中，基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核设计和实现了嵌入式a p 设备，使用w p a 技术加强安全机制、提供认 证功能。 1 2 国内外同类a p 产品开发现状与实例分析 目前国内外已先后陆续开发出了一些a p 设备，且很多已经投入实际应用，不过 相对于国外产品比较成熟，国内产品具有独立知识产权的产品并不多，而且还很不完 善。 国内同类产品方面，目前比较流行的有t c l 的w 2 0 1 0 ，t c lw 2 0 1 0 是一款l l m b p s 高速无线接入路由器。该产品严格遵循i e e e8 0 2 1 1 b 的无线网络标准，可完全 第一章绪论 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设各的研究与实现 兼容各厂商的i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网产品。数据传输速率可以被设为1 1 、5 5 、2 或 l m b p s ，也可设为动态自动调整。在安全方面除了支持6 4 b i t 和1 2 8 b i tw e p 加密 外，还提供m a c 地址过滤和隐藏s s i d ( 服务识别码) 功能。 国外同类产品方面，使用比较广泛的是a v a y a 、d l i n k 、3 c o m 公司的产品，它 们大多基于l i n u x 开发。下面列举其中几种产品，并简要分析它们各自的特点。 a v a y aw o m o 是针对无线办公及移动办公的一个低成本、高性能的集成解决方 案，专为中国设计。它的组成包括v p n 硬件网关、支持i e e e8 0 2 1 1 1 3 和i e e e 8 0 2 1 l a 的无线网桥、支持8 0 2 1 i b 的无线网卡、v p nm a n a g e r 管理软件、客户端的v p n 软 件以及可在国内主要城市的移动场所使用的无线上网服务卡。 d w l 7 0 0 a p 8 0 2 1 l b 无线局域网访问节点，符合8 0 2 1 i b2 4 g h z 行业标准，具 有广泛的无线局域网互操作性，l l m b p s 数据传输速率，1 0 1 0 0 m b p s 自适应快速以太 网端e 1 ，桥接无线网络和基于以太网的网络，内置桥接和中继功能，内含的a e s t k i p 安全引擎，支持8 0 2 1 x 的e a p - t l s ，通过h r r p 配置。 d - l i n k d w l - 1 0 0 0 a p + 可与其它a i r p l u s 系列产品配套使用，支持高达 l l m 2 2 m b p s ( 双速) 的传输速率；可支持4 种不同的工作模式：作为无线网络访问 节点；作为点对点的桥接设备与其它访问节点进行通信；作为点对多点无线桥接设备； 或者作为无线客户端。具有内置d h c p 功能，可自动为连接的无线客户端分配m 地 址而无需在网络上使用单独的d h c p 服务器。 3 c o r n a c c e s sp o i n t8 0 0 0 是专为满足局域网客户端需要集成化的s n m p 网络管理 与r a d i u s 认证鹄大型企业用户的需求丽设计的。支持i e e e8 0 2 i x 安全性标准，能 够支持无线客户端和r a d i u s 服务器通过一台接入点设备完成相互之间的身份认证； 集中化的网络管理：并有多种天线选择，覆盖范围高达3 0 5 米。 1 3 论文意义 综上所说，目前网桥功能大部分是基于l i n u x 系统及其内嵌的协议栈，通过对 协议栈第二层做修改实现的；对于a p 产品。提供的配置方式主要是w e b 和t e l n e t 服务器；目前所使用的安全保护措施主要包括：e s s i d 保护、地址过滤、w e p 加密 机制。不过，由于l i n u x 系统的设计考虑到很多的应用环境，支持的功能比较复杂， 不适合作为a p 系统平台，另外所采用的安全措旌也很难保证a p 接入的安全，同时 国内产品太多没有独立的知识产权，很多都是在国外技术基础上，整合而成的。 为此笔者和项目组的其他成员通力台作，开发出具有独立知识产权，基于为a p 2 基于m u l t t t t t s k l 操作系统内棱的嵌入式a p 设鲁的研究与实现 第一章绪论 系统量身定选的操作系统和协议栈，并在功能上有所创新的嵌入式a p 原型系统。 1 4 论文相关工作及设计特色 1 4 1 论文相关工作 鉴于同项目组其他成员的研究成果，本论文完成的部分主要为：a p 系统核心功 能的实现、s n m p 远程配置方式的实现、移动i p 的初步研究和原型系统的实现、安 全认证模块的研究和设计。 所涉及的工作包括： 对现有的a p 系统进行研究，分析其备自的特点、伉势潋及存在的河馥，针对存 在的问题，提出自已的解决方案： 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核和u s n e t 协议棱的直接整合，设计和实现a p 设 备的系统软件： 对s n m p 应用于a - p 设备进行深入研究，设计和实现了a p 设各s n m p a g e n t 及 a p 设备专用m i b 库，为网管工作站提供了对a p 设备交量和表格存取的便利； 在研究r f c 2 0 0 2 2 0 0 4 的基础上，对移动i p 进行了初步的探讨，设计和实现了 移动i p 的简单原型： 夺 参照i e e e 8 0 2 1 l i 标准，对加密认证机制进行了深入研究与初步设计； 冷 对a p 设备原型系统各项功能进行铡试，并对结果进行了分析。 1 4 2 设计特色 本课题所设计的a p 系统与现有的a p 产品相比具有以下几个方面的特色： 夺 使用操作系统和协议栈直接整合的方式，数据单独存放，从而减少系统冗余， 达到提高系统效率的目的。 冷使用s n m p 远程配置方式，达到使配置方式商效、简单的目的。同时，引入移 动i p ，实现了在口地址固定的情况下，无论a p 在什么位置，都可以正常使用，并 且可通过该固定i p 对其进行配置。 应用当前最新的w p a 框架，实现了对移动节点接入进行控制。同时，强化了加 密机制，有效地提高了a p 无线端的安全性。 1 5 论文结构 本文的体系结构分为九章各章的内容安排如下： 3 第一章绪论基于m u l t i t e s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现 第一章课题概述。包括课题背景、国内外同类系统开发现状分析、项目立项意 义、论文所做的工作和设计特色以及简要介绍本文的结构； 第二章介绍了本文所涉及的技术背景，包括：无线局域网，系统软硬件开发环 境、系统采用的技术； 第三章介绍本项目的系统层次结构，同时进行了功能设计及a p 系统的概要设 计和模块划分； 第四章介绍a p 核心功能网桥的设计和实现，对于网桥所涉及到的流程和关键 数据结构网桥表，给出了详细的设计过程； 第五章深入剖析s n m p 的内容，完整的给出了无线a p 设备s n m p a g e n t 的设计 和实现过程； 第六章对移动i p 的基本原理作了初步探讨并给出了一个摘单的移动口原型 系统的设计和实现过程； 第七章对最新提出韵一种无线网络接入控制模型进行了详细分析，并给出了完 整的设计方案； 第八章叙述了对作者已实现的a p 设备功能进行的测试，对设计正确性进行验 证： 第九章是对课题的总结和下一步开发的展望。 基于m u l t i t a s k r 摄作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现第二章嵌入式a p 设需的开发环境哼技术背景 第二章嵌入式a p 设备的开发环境与技术背景 本章首先介绍无线局域网的基本组成，接着介绍了本设计基于的两种协议 i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 1 i ，然后介绍了系统的开发平台和开发环境，最后对本文 所涉及到的几项技术进行了说明。 2 1 无线局域网络组成 本课题要开发的系统用于无线局域网，无线局域网有两种不周的组网模型，一 种是独立的w l a n 、一种是非独立的w l a n 。这两种组网模型都是基于基本服务集 ( b s s ) 构成的。b s s 是i e e e s 0 2 1 l b 的基本构成单元，在一个b s s 范围内的所有 s t a 都可以直接互通。独立的w l a n 实际上就是一个b s s ，其基本结构如图2 1 所 示： 图2 1独立的w l a n 组网模型 其中s t a 表示无线站点，s s 表示每个无线站点都要提供的站点服务。 非独立的组网模型和独立组网模型不同，在这种局域网中需要有提供分发服务 ( d s ) 的a p ，每个b s s 中只能有一个a p ，a p 同时要支持s s 和d s ，s s 用于和同 一b s s 中的其它无线站点通讯，d s 用于和其它a p 或网络进行通讯。其基本结构如 图2 2 所示： 第二章嵌入式a p 设备的开发环境与技术背景基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现 图2 2非独立的w l a n 组网模型 其中e s s 是指扩展服务集，起到连接多个b b s 的作用。 2 2i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e8 0 2 1 l i 协议 2 2 1 i e e e8 0 2 1 l b 本文所设计的系统包括有线端接口和无线端接口，其中有线端接口使用的是以 太网( i e e e 8 0 2 ，3 ) 协议，无线端接口使用的是8 0 2 1 l b 协议，由于以太网的驱动包 含在u s n e t 协议栈中，这里不再做说明，本节着重对无线网协议8 0 2 1 i b 进行说明。 i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网与i e e e8 0 2 3 以太网的原理很类似，都是采用载波侦 听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的是c s m a c d ( 载波侦 听，冲突检测) 技术，网络上所有工作站都侦听网络中有无信息发送。当发现网络空 闲时即发出自己的信息。如同抢答一样，只能有一台工作站抢到发言权，而其余工作 站需要继续等待。一旦有两台以上的工作站同时发出信息，网络中就会发生冲突，冲 突后这些冲突信息都会丢失，各工作站则将继续抢夺发言权。而8 0 2 1 l b 无线局域网 则引进了冲突避免技术，从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 和其它无线网络协议相比。i e e e 8 0 2 1 l b 具有如下特点： 2 4 9 h z 直接序列扩频无线电提供最大为l l m b p s 的数据传输速率，无须直线传播； 当射频情况变差时，降低数据传输速率为5 5 m b p s 、2 m b p s 和l m b p s ； 8 0 2 1 1 b 支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 米；在办公环境中最长为 1 0 0 米) ： 与以太网类似的连接协议和数掘包确认提供可靠的数据传送和网络带宽的有 效使用； 8 0 2 1 l b 网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓冲到客户，延长了笔记 6 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设各的研究与实现第二章嵌入武a p 设备开发环境与技术背景 本电脑的电池寿命； 当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点之间进行无缝连接加载 平衡，8 0 2 1 l bn i c 更改与之连接的访问点，以提高性能( 例如，当前的访问点流量较 拥挤，或发出低质量的信号时) ； 最多三个访问点可以同时定位于有效使用范围中，以支持上百个用户同时进 行语音和数据传输； 内置式鉴定和加密。 2 2 2i e e e8 0 2 1 “ 由于在本文所设计的系统中，引入安全认证功能对无线端的接入进行控制，所 以在这里简单的对无线网络安全认证协议8 0 2 1 l i 进行说明。 i e e e8 0 2 1 l i 规定使用8 0 2 1 x 认证和新的密钥管理方式，在数据加密方面，定义 了t k j p 、c c m p 和w r a p 三种加密机制。其中t k i p 采用w e p 机制里的r c 4 作为 核心加密算法，可以通过在现有的设备上升级固件和驱动程序的方法达到提高 w l a n 安全性的目的。c c m p 机制基于a e s 加密算法和c c m 认证方式，使得w l a n 的安全程度大大提高，是实现r s n 的强制性要求。由于a e s 对硬件要求比较高，因 此c c m p 无法通过在现有设备的基础上进行升级实现。w r a p 机制基于a e s 加密算 法和o c b ，是一种可选的加密机制。 本文所设计的加密认证功能是采用8 0 2 ，1 l i 的一个子集w p a 实现的，将在系 统基本原理部分详细说明。 2 3 软件开发环境 本课题中，所设计系统是基于m u l t i t a s k7 操作系统内核和u s n e t 协议栈开发完 成的，并将u s n e t 协议栈直接以任务的形式在m u l t i t a s k ! 上运行，保持了协议栈的 独立性，同时不破环操作系统内核的运行机制。 2 3 。lm u l t i t a s k ! 操作系统内核 m u l t i t a s k ! 是s u p e r t a s k 实时操作系统的核心，它提供了超过7 0 个系统调用来控 制多种多样的应用程序任务，一个建立、控制和取消任务的机制，以及事件、团队事 件、邮箱、资源、内存管理、时间功能和流i o ，这些都是完全可配置的。 7 第一章嵌入式a p 设各开发环境与技术背景 幕于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设各的研究l j 实现 2 3 2u s n e t 协议栈 协议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 是指：在网络通讯过程中，使用多层上的多种协议，并且 将这些协议按层次顺序组合在一起。 u s n e t 是设计使用在实时嵌入式应用中的协议栈软件，符合t c p i p 层次模型。 u s n e t 是开放源码的，提供了对多种硬件设备的支持，同时，为不支持的硬件提供 了扩充接1 2 ，而且具有功能独立、可裁减等特性，是一种具有很强灵活性的网络开发 包，满足嵌入式系统对专用性和硬件资源有限性的要求。 2 4 硬件开发环境 2 4 1a r m 微处理器 a r m 体系结构是美国a r m 公司所推出的3 2 位嵌入式r i s c ( 精简指令集) 微 处理器解决方案，目前，在移动终端领域，获得广泛应用。在这个结构的基础上，很 多公司都有自己的产品，如a t m e l 公司的a t 9 1 、a t 7 5 系列芯片和s a m s u n g 公司的 $ 3 c 系列芯片，本课题使用的是$ 3 c 芯片。 在开发过程中，利用了一套针对a r m 芯片的i d e 开发环境，其中包括工程编 辑和编译环境，以及调试器。在调试过程中，还需支持仿真器工作的m u l t i i c e 软件 包。其中，工程编辑和编译的环境如图2 3 所示： 图2 3a r m 编辑和编译i d e 环境 m u l t i - i c e 的环境如图2 4 所示 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现第二章嵌入式a p 设备的开发环境与技术背景 圉2 4m u l t i 。i c e 的i d e 环境 2 4 2 开发环境 系统的开发环境如图2 5 所示： 图2 5系统开发环境 其中开发板上主要包括a r m 处理器芯片、i m 的r o m 、4 m 的r a m 、一个无线 网端口、个有线网端口：仿真器用于仿真a r m 处理器芯片，利用开发板上的硬件 资源，支持程序的调试功能。 2 5 系统开发技术背景 认证。 本课题所设计的系统由以下几个部分组成：网桥、s n m p 代理、移动i p 和加密 第二章嵌入式a p 设备的开发环境与技术背景基于m u l t i t a s k l 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现 2 5 1 网桥技术 网桥的基本功能是过滤与转发， 值。加上新的m a c 和物理层报文头， 网桥分类 当转发时，将收到的数据重新组帧并计算校验 从另外的端口发出去。 网桥可分“透明网桥”和“源路由选择网桥”两种。其中透明网桥易于安装， 但这种网桥并没有最佳地利用带宽，因为它仅仅用到了拓扑结构的一个子集( 生成 树) ，透明网桥一般用于连接以太网；相对于透明网桥只限于生成树，源路由选择网 桥可使用最佳的路由，另外，源路由选择网桥还可以很好地利用网间的并行网桥来分 散载荷，源路由选择网桥则一般用于连接令牌环网嗍。 网桥的基本概念 阿桥部分涉及如下几个基本概念：生成树，用于解决无限循环问题，方法是让 网桥相互通信，用一棵到达每个l a b 的生成树覆盖实际的拓扑结构；地址学习，方 法是对每个收到的报文识别源地址，如果该地址在网桥表中不存在，将源地址项加入 到表中，这样，经过一段时间后，网桥将了解每个目的地的位置：r r l ，是在网桥散 列表中的一项，用于记录在何时将地址加入到散列表中，这样可咀实现在超时的情况 下删除该项，从而有效的利用散列表的空间。 2 5 2 简单网络管理技术 简单网络管理包含三部分内容：协议、管理信息结构、管理信息库。这三个方面 都使用a s n 1 描述，传输的时候用b e r 编码规则进行编码，这里首先对a s n 1 和 b e r 进行说吲坫】。 a s n 1 和b e r 编码规则 a s n 1 是由国际化标准组织制定的。其完整定义在i s o 标准文本8 8 2 4 ， s p e c i f i c a t i o no fa b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e 中，和他配套的是i s o 标准文本8 8 2 5 ， s p e c i f i c a t i o no f b a s i ce n c o d i n gr u l e sf o r a b s l r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e ，它描述了如何 进行编码。 a s n 1 主要包括以下几个主要部分：基本的描述语法、模块定义、类型定义、宏 定义。其中模块定义是a s n 1 规范的基本组成单元：类型定义是指a s n 1 对于各种 数据类型的定义，这些数据类型是可扩展的；宏定义允许用户扩展a s n 1 的语法， 定义新的类型及其取值。 b e r 的作用是定义一种或更多的方式来把a s n 1 取值编码为字节串，编码工作 0 基于m u m l 融! 操作系统内棱的嵌入式a p 设备的研究与实现 第二章嵌入式a p 设备的开发王f = 境畸技术背景 是基于t l v ( t y p e - l e n g t h - v a l u e ) 结构来进行。其中，t y p e 用作表示a s n 1 类型，以及 用来表明类型的类别和编码是基本的还是结构化的；l e n g l h 表示实际取值所占的长 度：v a l u e 表示按a s n 1 类型定义的字节串的取值。 s n m p 的组成 s n m p 协议是简单网络管理的核心部分，它负责在管理者和被管理者之间建立联 系，s n m p 协议中定义了报文的基本格式，安全机制等：管理信息结构是s n m p 网 络管理框架三要素中非常重要的一个部分，定义了s n m p 枢架所用信息的组织、组 成和标识，它还为描述m i b 对象和描述协议怎样交换信息奠定了基础，为m i b 对象 定义树型结构提供了各种宏和数据类型，同时也定义了m i b 对象最高级的一些元素； 管理信息库是直接和系统变量联系的接口，包括公共和私有两部分，管理信息库的定 义是以管理信息结构为基础的，依照树型结构进行组织，每定义一个新的变量，相当 于在树上加入一个新的节点，新加入的节点必定依属于上一级的某一个节点。 o i d o i d 是一串以号分隔开的十进制数串，其中每个十进制数对应于m i b 文件 中的一个节点，而且位串必须是从最高级节点开始，按树型结构向下延伸直到所要访 问的变量，在这个过程中，所经过的路径组成的十进制数串就是被访问变量对应的 o i d 号。 2 5 3 移动i p 技术 所谓移动i p 技术，是指基于t w p a 整体模型 在w p a 的整个模型中，需要有三个部分参与：申请者、认证者、认证服务器。 其中申请者就是指移动用户，认证者在本文中由a p 充当，认证服务器是一个r a d i u s 服务器。其组成结构如图2 6 所示： 图2 6w p a 加密认证模型 对于认证者来说，需要设定认证服务器的地址。以及和认i 正服务器共享的密钥。 1 2 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现第二章嵌入式a p 设器的开发环境与技术背景 w e p 密码机制 由于本课题的t k i p 密码协议是基于w e p 机制设计的，其加密过程如图2 7 所示： 初始向量( i v ) if - - - j 种子( k ) r _ 一一一 伪随机密钥序列】 1 一驯一， 1r c 4 算法卜腿i t4 = 秘雨掰铡( s k ) 。 l 一r 明文p d u 数培一1 1 i l 1 ! 鲤耋噬 完摧性爱验值 _ ! ( i c v ) 图2 7w e p 加密过程 密文消息 其中输入有两个参数：和s k ， i v 是一个由机器产生的计数器性质的向量， s k 是一个密钥；输出为密文和连接后的报文。 相反的解密过程如图2 8 所示： 图2 8w e p 解密过程 由于基本过程是加密过程的逆向处理，所以这里不作详细介绍，其中对于 i c v = i c v 的判断，如果不成立，需要有反击过程，具体反击过程在t k i p 的详细设 计过程中叙述i 】。 擎 第三章e a d b m k 系统总体设计m u l t 讦a s k ! 操作系统内校的嵌入式a p 设备的研究与实现 第三章e a d b m k 系统总体设计 本章首先对e a d b m k 愿型系统进行层次结构设计；接着给出了e a d b m k 原型系统 的功能设计，阐述了各个功能之间的关系；然后进行模块设计，并详细说明了各个模 块实现的意义和功能。 3 ie a d b 凇原型系统层次结构 本课题设计的基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备( e m b e d d e da p d e v i c eb a s e d0 1 1m u l f i t a s k lo sk e r n e l ，以下简称e a d b m k ) 可以分为四层，如图3 1 所示； 图3 1系统层次结构框图 系统运行的硬件平台主要由a r m 处理器芯片、1 m 的f l a s h r o m 、4 m 的r a m 、 一个无线模块、一个以太模块组成。系统软佯包括m 瑾f i t a s k ! 操作系统内核、u s n e t 协议栈，以及无线驱动程序。应用部分包括网桥功能、配置功能和安全功能。 由于系统运行的硬件平台和系统软件整合由开发组其它成员完成，因此本文不给 出详细设计：本文将着重进行应用功能研究与实现的论述。 3 2e a d b m k 系统功雏设计 本课题所设计的e a d b m k 是一种嵌入式应用，其主要作用是实现无线网络和有 线网络报文的转发，考虑到无线网络和有线网络的主要差剔是在物理层和数据链路 层，本课题通过在数据链路层上支持网桥功能来实现报文转发。e a d b m k 是作为非 独立结构无线局域溺中的接入点a p ，其中有线冠络镬用的是以太网协议，无线网络 使用的是9 0 2 1 i b ，图3 2 是e a d b m k 基本功能设计目标示例。 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内柱的嵌入式a p 设备的研究与实现第三章e a d b m k 系统总体设计 图3 2e a d b m k 的应用示例 在系统运行过程中，往往需要改变某些参数从而改变系统的工作状态，但是嵌 入式系统没有输入、显示设备，需要通过远程配置来实现，所以在本系统中实现了远 程配置功能。 e a d b m k 是一个慰络设备，两网络有很多不安全因素，因此，如何保证网络安 全是本课题的另一个重要研究内窖，基于这种需求，系统引入了对安全功能的支持。 本课题中，主要目的是控制无线端的接入，同时为通讯过程中信息的安全和完整提供 保证。 各个功能的关系如图3 3 所示： 图3 3 系统功能关系图 其中远程配暨功能用于对网桥功能和安全功能进行配置，安全功能用于保证无 线网桥的安全。 3 3e a d b m k 系统模块划分 本节基于功能设诂，根据要实现的功能，将设计划分成几个模块，图3 4 给出了 这些模块在协议栈中的位置，以及各模块和系统信息的关系。 第三章e a d b m k 系统总体设计m u l f i l h s k ! 操作系统内棱的嵌入式a p 设备的研究与实现 图3 4系统模块设计框图 根据系统的模块设计框图，可以看出，在本系统中最为关键的数据部分是系统 的配置信息，所有其它的模块都要利用配置信息中的内容对功能进行设定和进行数据 初始化；另外，由于数据统计的需要，还设定了一个系统统计信息结构体，用于存放 系统需要统计的各项数据，如系统接收到的报文数，出错的报文数，验证失败的报文 数等等。 除了上述两种数据结构以外，其它模块的的功能和要解决的问题分别如下所述： ( 1 ) 网桥模块用于把两个或多个网络互连起来，提供透明的通信，是a p 的核 心功能。网络上的设备感觉不到嘲桥的存在，设备之间的通信就如同在同一网络中一 样方便。当e a d b m k 接收到数据报文后，如果目标m a c 地址和自己的地址不匹配， 不能够确定发往哪一个端口，在这种情况下，需要有个存储目标地址和端口匹配关 系的机制，在本课题中是通过一个h a s h 表来存储。用h a s h 表仍然存在一些问题，首 先，网桥表在设备初始化阶段应该为空，如何填充初始表格是一个问题；另外，h a s h 表的空间总是有限的，因此如何在地址长时间没有被使用的情况下，从h a s h 表中删 除该表项是另一个闯题；再者，由于阏络环境变化缀快，随着主机位置的改变，地址 和网桥端口的对应关系也是要不断变化的。如何在h a s h 表中作出相应的改变也是一 个问题。 ( 2 ) 由于e a d b m k 在工作的时候，往往需要对一些配置参数进行修改，不过 在嵌入式系统中没有一个友好界面进行配置，所以只能远程进行配黄。目前在嵌入式 系统中支持的远程配景方式比较常用的有t e l n e t 方式、w e b 方式。不过，这些方式 1 6 基于m u l t i t a s k ! 操作系统内核的嵌入式a p 设备的研究与实现第三章e a d b m k 系统总体设计 都有一些局限性，t e l n e t 方式操作比较复杂，不适合普通用户使用，w e b 方式虽然 很简单，但是通讯过程中传输数据量比较大，所以效率比较低。为了解决以上问题， 本文设计和实现了支持s n m p 客户端管理的s n m p 代理，具有比较高的效率，同时 操作也比较方便。简单网络管理代理主要解决的问题是协议解析，结果获取，报文接 收和发送。 ( 3 ) 对于简单网络管理配置方式，在配置之前必须要知道对方的i p 地址，且 能和该地址建立连接，不过如果e a d b m k 从一个子网移动到另一个子网，那么管理 端将不再能够根据e a d b m k 原地址访问到它，移动i p 模块就是为解决这个问题而 被研究和实现的。移动i p 模块是为使一个设备仅有一个固定的i p 地址而被设计的， 如果某个设备作为移动i p 的移动节点，那么当有其它终端需要访问该设备时，无论 该设备在什么地方，都能够根据这个固定i p 访问它。对于e a d b m k 而言，其作用 如下，当e a d b m k 捐j 有一个公共网络地址时，移动i p 模块用于实现在e a d b m k 的 i p 地址固定的情况下，无论e a d b m k 移动到什么地方，管理端都能够通过它的固定 i p 地址访问它，在这种情况下，使用s n m p 管理端对e a d b m k 进行管理时就更加 方便，同时也避免了经常更换i p 地址带来的麻烦。除了以上功能以外，引入移动i p 模块也可以在e a d b m k 上支持移动用户在网络层的移动。 ( 4 ) 由于e a d b m k 的一端是通过无线媒介连接的，而无线媒介由于自身的特 点，信息容易被窃听和纂取，安全性很难得到保证。其中最主要的安全性威胁是不合 法用户通过对合法报文的模拟连接到e a d b m k 。从而导致无线端连接的混乱，且 e a d b m k 无法控制用户的接入。除此之外，由于加密机制的漏洞，在通讯过程中信 息的安全性和完整性也得不到保证，在已有的a p 产品中，主要是通过支持w e p 加 密机制来保证安全性，不过w e p 加密机制有一些本生固有的缺点：加密的强度不高； 对重放攻击没有给出相应措施；对于消息完整性校验使用的是c r c 校验，由于c r c 校验很容易获得，所以基本上不能起到保证信息完整性的作用。在本课题中引入认证 方式和增强的加密机制，其中认证使用8 0 2 1 x 结构、加密机制使用基于w e p 的t k i p ， 通过这两种方式的引入，有效地解决了无线用户的接入问题，同时保证了传输过程中 信息的安全和完整。 兰婴兰歪垡璺堡垄! ! 塑垄生皇壅翌 苎王坚! 堕曼1 1 墨堡墨竺蜜垫塑壁垒垄竺壁鱼塑塑塑昱i ! ! l 第四章无线网桥功能的设计与实现 本章首先介绍了e a d b m k 中网桥功能的总体结构，然后对重要的数据结构进行说 明，并对链路层报文的格式进行了简要的分析，最后介绍各模块的设计乖实现思路。 4 1 总体结构 本课题中网桥部分的功能是实现有线网络和无线网络之间数据报文的转发。网 挢功能实现需要的条件是：有线网按口驱动、无线网接口驱动。数据链路层协议。本 课题中为有线网络选择的是以太网协议，为无线网络选择的是8 0 2 1 1 b 协议，转发是 通过个在s u p e r t a s k 上运行的基于u s n e t 的不退出任务来实现，伴随着系统的启 动就