（计算机科学与技术专业论文）路由信息协议及重发布技术研究与实现.pdf

莓游瓣学技术大学磷究生院学费论文 摘要 睫麓阙络技术鲍飞速发震帮网络趣横憨迅速扩大，路壶设备懿终震疆盏重要，对它戆 性能要求也随之提高。路由协议在路由器之间实现信息交换，从而形成并维持正确的路由 袭，所以它对鼹由嚣的功g 增强和性l 撼裹起到关键的作用。 本文首先给出路由信息协议( r i p ) 的一种设计与实现，然后基于r i p 的算法思想提出 一种提供q o s 盼多路径路漱协议冀法，弗在最嚣论述了路由重发梅技术载实现方法。 本文首先深入研究了r i p 协议。r i p 运行程u d p 协议之上，对路由信息进行处理。它 怒将跳数作为度量馕的距离向量协议。作为一种具有规模小，开销小，使用灵瀵等特点魄 内部网荚协议( i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) ，r i p 广泛应用于全球因特嗣的路由器。r i p 最新 的增强版是r 腰一2 规范，它允许在r i p 报文中彀含路出汇总、无类域问路由、变长子嬲掩 弱等信息，并提供了简单的认证襁l 铺。本文祷详细阐述r i p 协议及相关赢髑程净棱口的设 计与实现。 其次，研究了一种多路径q o s 算法。在研究和实琥r i p 协议的过程中，我们发现它具 肖很多本身固有的局限性。最为明显的两个缺点是不能够提供多路径支持和以跳数作为单 一静整麓标准。它翻隈稍了r i p 静使翔魏国，瞧就隈镧了它作为一种工其的实蕉债擅。为 此，本文借鉴距离向量多路径路融协议掇出一种多路径q o s 算法。 最舔，臻究并实溪了黯鑫重发布技术。路鑫协议多释多样，嚣诧，需要采矮路壶羹发 布技术实现在使用不同路由协议的两个路由域之间交换不同格式的路由信息。路由重发布 技术楚在不圈潞壶秘 ；【之麓交换掰鑫转发僮急豹技零。兵俸褒现必台辩崮器遨孳亍琵耱或 两种以上路由协议，并且在协议之间转发路由信息。目前存在多种实现方法，本文将详细 阚述鏊子孛瓣鼹蠡表醵滚蠢藿发京技本豹设诗与实瑗，著对冀性煞逐褥分辑。 关键逶：裹链能鼹崮器，资议棱，鼹由臻怠携议，服务质量，多路经算法，路赉重发鸯 _ _ _ h _ _ 一 l 国防秘学技本太学磺究生院学位 文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h eq u i c ke x p a n s i o no ft h e n e t w o r ks c a l e ，r e u t e r sh a v eb e c o m em o r e i m p o r t a n ta n dw eh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t so nt h e m r o u t i n gp r o t o c o l sa r ei nc h a r g eo fe x c h a n g i n gi n f o r m a t i o nb e t w e e nr o u t e r sa n dt h e nf o r ma n d m a i n t a i nc o r r e c tr o u t i n gt a b l e s , s o t h e yc a ng r e a t l ya f f e c tt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo f r e u t e r s + 圈 1 i sp a p e ra tf i r s tt e l l sh o wt od e s i g na n d i m p l e m e n t t h er o u t i n gi n f o r m a t i o n p r o t o c o l ( r i p ) t h e ni tp u t sf o r w a r daa l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nt h ec o r et h i n k i n go fr ma n dc a nc o m p u t e m u l t i p a t ha n da tt h es a m et i m ep r o v i d eq o s a tt h ee n do ft h i sp a p e ri td i s c u s s e sh o wt o i m p l e m e n t t h et e c h n o l o g y o f r o u t i n gr e d i s t r i b u t i o n a tf i r s t ，t h i sp a p e r d e e p l y s t u d i e sr i p 。 r u n so n 御a n dh a n d l e st h e r o u t i n gi n f o r m a t i o n 。 i ti sad i s t a n c e v e c t o rp r o t o c o lw h i c hi l g e sh o pc o u n t sa st h em e t r i c i tc a l lb eu s e dw i d e l yi n i n t e r o e ta s 撼i n t e r i o rg a t e w a y p r o t o c o lf o r i th a ss m a l ls c a l ea n dl o wc o s ta n da l s oi tc a nb eu s e d e a s i l y t h e n e wv e r s i o no f r mi 8r i p - 2 i ta l l o w sp a c k e t st oi n c l u d es u c hi n f o r m a t i o na sm u t i n g s u m m a r y , c l a s s l e s si n t e a x l o m a i nr o u t i n g , v a r i a b l el e n g t hs u b n e tm a s ka n ds i m p l ea u t h e n t i c a t i o n t h i sp a p e rw i l lp r e s e n tt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f r p a n dt h er e l a t i v ea p i s t h e nt h i sp a p e rd e s c r i b e sam u l f i p a t hr o u t i n gp r o t o c o lw h i c hs u p p o r t sq o s r 鹫i ss i m p l e , b u ti th a so b v i o u ss h o r t c o m i n g s i tc a l ln o tp r o v i d em u l t i p a t ha n di to n l yu s e sh o pc o u n t sa st h e m e t r i c 霹l o s ol i m i tt h eu s eo f r 蛋+ s ot h i sp a p e rw i l ld e s c r i b ea l li m p l e m e n t a t i o no f am u l t i p a t h r o u t i n gp r o t o c o l w h i c ha l s o s u p p o r t sq o sa c c o r d i n gt o ad i s t a n c e - v e c t o rm u l t i p a t hm u t i n g p r o t o c o l ，a n d a t t h e e n d o f t h e c h a p t e r p r e s e n t s t h ec o r r e c t n e s s p r o o f s 。 f i n a l l y ，t h i sp a p e re l a b o r a t e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fm u t i n gr e d i s t r i b u t i o n t h e r ea r e m a n y k i n d s o f m u t i n gp r o t o c o l s 。s om u t i n g r e d i s t r i b u t i o nm u s tb eu s e dt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o n w h i c hh a sd i f f e r e n tf o r mb e t w e e nt w or o u t i n gd o m a i n sw h i c hu s ed i f f e r e n tm u t i n gp r o t o c o l s r o u t i n g r e d i s t r i b u t i o nm e a n s e x c h a n g i n gm u t i n g i n f o r m a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tr o u t i n g p r o t o c o l s i tb e h a y e s a st w oo rm o r et h a nt w ok i n d so f m u t i n gp r o t o c o l sr u n n i n g o no n em u t e r a n df o r w a r d i n gp a c k e t sb e t w e e np r o t o c o l s n o wt h e r ea r em a n yw a y st oi m p l e m e n ti t ，a n dt h i s p a p e r w i i ls h o wo n eo ft h e mw h i c hu s e sam i d d l em u t i n gt a b l e ，a n da tt h ee n do f t h i sc h a p t e ra p e r f o r m a n c ea n a l y s i sw i l lb ep r e s e n t e d 。 k e y w o r d s ：h i g l ip e r f o r m a n c er o u t e r , p r o t o c o ls t a c k ，r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l ，q o s ( q u a l i t yo f s 魁 v i c e ) ，m u l t i p a t ha l g o r i t h m ，r o u t i n g r e d i s t r i b u t i o n 疑 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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说明并表示谢意。 学位论文题目： 竖由焦墨盐邀区重发查挂苤盟塞生塞理 学位论文作者签名 靠 鹌玉 日期：印口工年f ，月i ；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：竖由焦皇盐送区童发查技z 睦盟究生塞狃 学位论文作者签名：墨塑至日期：枷。1 年，月，歹日 作者指导教师签名：三幽 日期：为。) 年，月譬日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 1 网络与高性能路由器 1 1 课题背景及问题的提出 几十年来，计算机工业取得了惊人的发展。特别值得一提的是，计算机与通信的结合 对计算机系统的组织方式产生了深远的影响。单台计算机为机构中所有的计算机服务这一 工作模式很快被大量分散但又互联的计算机来共同工作的模式所代替。我们称这样的系统 为计算机网络。 高性能计算机和信息网络是国家经济信息系统的基础，它反映了一个国家的综合科技 实力。随着信息技术的高速发展，具有快速、及时、多样化等特点的网络媒体使从计算机 技术中发展起来的网络技术逐渐在国民经济建设和国防建设中处予日益重要的地位。当计 算机的速度以每一年半翻一番的速度增长的同时，网络带宽则以3 倍于计算机发展的速度 向前推进，即每六个月翻一番。先进计算机的信息处理能力已与支撑它的网络能力密切相 关，不发展高速计算机网络技术，先进计算机的信息处理能力就会受到限制。因此必须大 力发展与信息高速公路直接相关的高速计算机网络技术，它是国民经济及高技术发展的迫 切需要。 我国的国家网络基础设施应具有提供高速、高带宽、q o s 服务保证等多项服务的能力， 同时也对其在网络的安全、可靠性方面提出了更高的要求，特别是一些关系到国民经济建 设和国防军事的重要网络设施，必须要求具有极高的可靠性和防卸外来侵扰的能力。而目 前我国网络建设主要基于国外网络产品集成，尽管有一些国产化的低端网络设备，但网络 中枢、控制交换中心的网络设备基本上被国外产品占领。国产网络设备与国外产品存在很 大的差距，这种格局存在极大的网络安全隐患。从国家安全战略角度考虑，研制高性能路 由器是适应未来信息战的迫切需要。 1 1 2 路由协议 路由协议是确定两个节点之间路径的协议。 路由协议通过传播、分析、计算、挑选路由实现如下功能： 路e t 发现：通过交换信息得到整个网络的路由表。 路由选择：从多条候选路由中选择最佳路由。 路由切换：自动检测网络故障，达到“自愈”目的。 负载平衡：把多条路由同时加到路由表，多条线路分担负载。 第t 贾 国防科学技术大学研究生院学位论文 r i p 路由协议使用在小型网络上，是基于跳数的协议。与o s p f 等路由协议相比，它的 开销很小，不占用很多带宽，具备学习路由、广播路由等基本的协议功能，因此非常适于 跳数小于1 6 的小型网络使用。所以设计并实现r i p 对于完善高性能路由器的功能具有重 要的意义。 路由协议根据一定的标准选择一个最佳路由进行分组的转发。通常所使用的度量标准 有：路径长度、可靠性、时延、带宽、负载、通信成本等。复杂的路由算法可能采用多种 度量来选择路由，即通过一定的加权运算，将这些度量合并为单个的复合度量，再填入路 由表中，作为寻径的标准。因此，a t m 标准定义了一系列的q o s ，客户和通信提供者可 以对这些参数的值进行协商。 高性能路由器可以运行多种路由协议来连接使用不同协议进行通讯的网络。为了在运 行不同路由协议的网络之间正确的转发消息，该路由器必须具有路由重发布的功能。 1 2 主要研究内容以及取得的成果 本课题主要是围绕国家“8 6 3 ”计划“下一代互联网络试验环境”进行。 在课题的研制过程中，主要取得了如下几个方面的成果： 详细了解r i p 的基本用途和各主要功能； 研究实现高性能路由器r i p 协议，现已具有路由广播、路由学习、路由转发和水平分 割、毒性逆转等基本功能。同时，还可以支持r i p 一2 所要求的认证、变长子网掩码和无类 域间路由等高级功能； 设计并实现r i p 与用户界面的接口，主要包括：r i p 任务的启动与结束，接口的启动 与关闭，接口的各参数配置，路由重发布的使用与禁用以及静态接口的配置等； 研究并提出一种提供q o s 的多路径路由算法，并给出该算法的实现框架。该算法基于 r i p 的距离向量算法的核心思想，但能够提供比r i p 更强大的功能，如允许存储多条路径 从而使路由器可以进行负载平衡以及使用提供q o s 的度量标准来更大程度的满足用户需 求等； 研究并实现高性能路由器的路由重发布，使不同的路由协议之间可以交换路由信息， 从而使处于不同路由域的主机能够进行通讯。 1 3 论文内容组织 论文共分六章： 第一章为绪论。本章介绍课题背景、主要研究工作和文章内容组织。 第二章为课题研究基础内容。本章主要介绍t c p i p 协议栈相关理论和路由器软件的开 发环境。内容包括软件系统中极为重要的t c p f i p 协议栈的构成( 第二章第一节：t c p i p 协议栈) 、t o r n a d o 开发工具所具有的特点( 第二章第二节：t o r n a d o 开发工具) 以及对t m s ( 第二章第三节：t m s 简介) 和v x w o r k s ( 第二章第四节：实时操作系统v x w o r k s ) 的系 第2 页 国防科学技术_ 人学研究生院学位论文 统介绍： 第三章从协议栈进一步引申到它的组成部分之一：路由信息协议( r i p ) 的设计与实现。 该部分内容包括r i p 协议的总体设计、关键算法( 第三章第一节：r i p 设计) 、实现技术、 程序组成、接1 3 分析、流程分析以及功能的设计与实现( 第三章第二节：r i p 实现) 等主 要工作。 本文的第四章详细给出了一种提供q o s 的多路径路由算法的设计、流程分析以及实现 框架。 第五章是关于路由重发布技术的研究及实现( 第五章：路由重发布技术研究及实现) 。 路由重发布技术在几个路由协议之间进行宏观调控，使分组可以在不同的路由域之间进行 正确的转发。 第六章对已经完成的工作进行总结，并指出进一步研究的方向。 第3 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章课题研究基础内容 2 1t c p i p 协议栈 r i p 协议是t c p i p 协议栈的一部分，所以首先介绍t c p i p 协议栈的组成。 t c p , r i p 协议实际上就是在物理网上运行的一组完整的网络协议。如果用与s o 的开放 系统互联模型( 0 s i ) 相同的层次模型来描述t c p i p 网络协议栈，那么认为t c p 提供传输层 服务，i p 提供网络层服务。此外，由于t c w i p 是一组协议的代名词，所以它还包含其他 很多协议，如a r p 、u d p 、r i p 、s m t p 、h t t p 和f t p 等等，其层次结构如图2 - 1 所示： 图2 - 1t c p i p 协议栈与o s i 参考模型图 从图2 - 1 中可以清晰地看出t c p i p 协议栈和o s i 之间的关系。网络接口层( n e t w o r k i n t e r f a c el a y e r ) 相当于o s i 的第一层和第二层，它是t c p i p 的实现基础，如e t h e m e t 、 t o k e n r i n g 、t o k e nb u s 等。 坤、a r p 、i g m p 、i c m p 相当于o s i 第三层，其中互联网协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 负责主机间数据的路由和网络上数据的存储，同时为i c m p 、t c p 、u d p 提供分组发送服 务。用户进程通常不需要涉及这一层。 t c p 、u d p 相当于o s i 第四层，其中传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 是一种向用户进程提供可靠的全双工字节流的面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电 路服务，并为数据的可靠传输执行正确性检查。大多数网络用户程序选择使用t c p 。用户 数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 是向用户进程提供的面向无连接的协议，它 只传送数据而不执行正确性检查。 第4 页 匿防科学技术大学研究生院学位论文 f t p 、s m t p 、t e l n e t 、t f t p 、h t t p 相当于o s i 第五层到第七层，其中文件传输协 议( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，f t p ) 允许用户以文件操作的方式( 文件的增、删、改、查、 传送等) 与另一主机相互通信。简单邮件传送协议( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c o l ，s m t p ) 在系统之间传送电子邮件。远程登录终端协议( t e l n e tt e r m i n a lp r o t o c 0 1 ，t e l n e t ) 允许用户 以虚终端方式访问远程主机。超文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 是互 联网w w w 的基础，它使丰富多彩的i n t e r a c t 以简单的方式展现给用户。简单文件传输协 议( t r i v i a lf i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，t f t p ) 是f t p 的一种简化版本。 t c p i p 协议的核心部分是传输层协议( t c p ，l r d p ) 、网络层协议( 口) 和物理接口层， 这三层通常在操作系统内核中实现。操作系统的内核对一般用户是透明的。 2 2t o r n a d o 开发工具 高性能路由器的软件开发过程是在t o r n a d o 开发工具的支持下开展的，因此有必要明确 该开发工具的特点及相关组件。 总的来说，t o r n a d o 具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境。 它有以下四个特点： ( 1 ) 十分灵活， ( 2 ) 适用面广， ( 3 ) 可靠性高， ( 4 ) 适用性强， 具有多达1 8 0 0 个功能强大的应用程序接口( a p i ) ； 可以适用于从最简单到最复杂的产品设计； 可以用于从刹车系统到星际探索的关键任务： 可以用于所有流行的c p u 平台。 2 3 t m s 简介 t m s 是指t o r n a d of o rm a n a g e ds w i t c h e s 。 因特网的飞速发展对全球数据网络基础设施供应商形成令人难以置信的压力，驱使网 络设备制造商在更短的时间内引入更新、性能更强、价格更低的产品。供应商目前仍然面 对巨大的挑战，他们需要将分散的、经常是互不兼容的资源整合到一个解决方案中，比如 来自供应商a 的实时操作系统，来自供应商b 的管理软件和来自供应商c 的协议栈和驱 动。w i n d r i v e r 的1 m s 提供业界唯一的企业级数据网络交换和路由设备。i m s 配合商用网 络处理器使用，可以快速构建领先的因特网基础设备。经过简单扩展，t m s 还可以用于一 系列网络供应的寻址操作，包括以太网交换和路由，虚拟专网( ) n ) 服务器，防火墙以 及家庭网关。 引入t m s 后，制造商即可使用包括v x w o r k s 实时操作系统( r t 0 s ) 和强大的t o r n a d o 工具在内的t o m a n d o 开发平台。 v x w o r k s 是w i n d r i v e r 面向嵌入式应用专门开发的实时多任务操作系统，它采用微内核 的结构，具有支持处理器多、网络协议丰富、兼容性和裁减性好等特点，同时具有程序动 态连接和下载的功能。本文将在下一节对v x w o r k s 实时操作系统进行更为详细的介绍。 t m s 具有如下特性： 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) t c w i p 网络堆栈 ( 2 ) b o o t p d h c p ( 3 ) t f t p x m o d e m ( 4 ) i g m e v 2 ( 5 ) 切) p 帮助程序 ( 6 ) 生成树协议( 8 0 2 1 d ) ( 7 ) 8 0 2 1 qv l a n 和g a r p g m r p g v r p ( 8 ) 8 0 2 1 p 优先权和流量级 ( 9 ) 静态和v l a n 路由 ( 1 0 ) r i p v l v 2o s p f v 2 路由 ( 1 1 ) 桥上路由 ( 1 2 ) s n m p v l 代理 ( 1 3 ) r f c1 2 1 3m m i i ( 1 4 ) r f c1 4 9 3b r i d g em m ( 1 5 ) r f c1 7 5 7 r m o n l ( 1 6 ) d r a f t q m m ( 1 7 ) d r a f t p m i b ( 1 8 ) r f c1 6 4 3e t h e r n e t 1 i k ei n t e r f a c e sm i b ( 1 9 ) s a m p l ee n t e r p r i s em i b ( 2 0 ) 俘获机制 ( 2 1 ) m i b 编译器 ( 2 2 ) 平台接口：可以使用串口和t e l n e t ( 2 3 ) 平台屏幕编译器和样本屏幕 ( 2 4 ) 隐藏串行诊断屏幕 ( 2 5 ) 嵌入式w e b 服务器，w e b 屏幕编译器和样本屏幕 ( 2 6 ) 基本堆栈支持 ( 2 7 ) 交换支持包 ( 2 8 ) v x w o r k s5 4 实时操作系统 ( 2 9 ) t o r n a d oi i 集成开发平台 w i n d r i v e r 的专业服务机构提供硬件和软件工作服务作为t m s 的补充。服务包括企业 级m m 、客户定制w e b 页和平台屏幕、s n m p 管理小程序、移植到新的网络处理器、硬 件工程和测试服务。w i n d r i v e r 还从事硬件和软件设计检验。凭借这一套完整的服务，制造 商可以将设计思路迅速转化为可供销售的产品。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 实时操作系统v x w o r k s 2 4 1 简介 所谓实时，就是立即、及时的意思，是指计算机的运算和处理时间与被控过程或事务 处理所需的真实时间相适应。实时系统与其它类型系统的本质差别在于实时系统的及时 性。即实时系统能及时的响应外部事件的请求并在严格规定的时间内完成对该事务的处 理，控制实时设备和实时任务协调一致的运行。 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 7 年设计开发的一种嵌入式实时操作系 统( r t o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司 专门为实时嵌入式系统设计并开发的操作系统软件，为程序员提供了高效的实时任务调 度、中断管理，实时的系统资源管理以及实时的任务间通信等功能。应用程序员可以将尽 可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资源的管理。该系统主要应用在单 板机、数据网络( 以太网交换机、路由器) 和通信等诸多方面。通过对v x w o r k s 的研究， 可以使我们对嵌入式操作系统的研究和开发更进一步。 2 4 2 特点 w i n & r i v e r 的v x w o r k s 实时系统主要有如下一些特点： ( 1 ) 可裁剪性：v x w o r k s 采用模块化的设计方式，最小的实时内核可以只有3 0 k ，用 户可以做到基于函数级的裁剪，可以根据应用的具体需要定制一个只包含应用所需a p i 函 数库的最小系统； ( 2 ) 丰富的系统组件和可选模块：支持i o 系统、文件系统、t c p f i p 网络协议、图形 界面、j a v a 虚拟机、内存保护、多c p u 间任务通信和同步、f l a s h 系统管理、在线升级、 工控现场总线和应用组件( 如c a n 、o p c 、d c o m 等) 、设备总线( 如u s b 、i e e e l 3 9 4 、 p c m c i a 等) ，并且提供面向汽车电子、网络设备和存储设备应用开发的解决方案， w i n d r i v e r 还有近1 0 0 0 家的w i n d l i n k 合作伙伴提供面向各种嵌入式应用领域的完整解决方 案； ( 3 ) 实时性：提供快速、确定的任务切换，快速的中断响应，快速的任务间同步和通 信机制以及有效的动态内存管理等功能； ( 4 ) 高可靠性：v x w o r k s 广泛的应用在航空航天、国防等对系统可靠性要求极其苛刻 的领域，设备都经过了系统长期运行的检测，十几年都没有发现v x w o r k s 内核的b u g 。而 且，v x w o r k s 通过了美国国防部d o 一1 7 8 b 的认证，在美国的n a s a 和中国的海军、空军、 兵器等系统中已经成为事实上的嵌入式操作系统的标准并且得到应用； ( 5 ) 支持标准编程接1 ：3 ：支持a n s i c 、b s ds o c k e t 和p o s i x 的编程接口，应用程序 具有可移植性； ( 6 ) 支持的c p u 和硬件平台最广：支持m o t o r o l a ，i b m p o w e r p c 、m o t o r o l a c o l d f i r e 、 第7 页 国防科学技术犬学研究生院学位论文 m o t o r o l a6 8 k c p u 3 2 、i n t e la r c h i t e c t u r e f a m i l y 、i n t e ls t r o n g a r m a n dx s c a l e m i e r o a r c h i t e c t u r e s 、m i p s 、a r m 、h i t a c h is u p e r h 等几乎所有的3 2 位以上c p u ，w i n d r i v e r 还与i n t e l 、m o t o r o l a 、m i p s 、h i t a c h i 、i d t 等芯片厂家成立了卓越中心( c e n t e r o f e x c e l l e n c e ) ， 共同为用户提供完整的嵌入式系统软硬件解决方案，提供所有流行的硬件的系统移植； ( 7 ) 方便易用的调试工具：提供从软件系统设计、硬件板级调试到软件静态和动态调 试的整个软件开发过程中所要使用到的软件工具，开发和调试界面都是程序员所熟悉的风 格。 2 4 3 核心功能 v x w o r k s 实时操作系统包括微内核w i n d 、网络支持、文件系统和f o 管理、c + + 和其 他标准支持等功能。如图2 2 所示： 图2 - 2v x w o r k s 实时操作系统结构示意图 目前v x w o r k s 操作系统的版本为v x w o r k s5 4 ，其核心功能主要有： ( 1 ) 微内核w i n d ( 2 ) 可裁剪的运行软件 这些核心功能可以与w i n 耐v e r 系统的其他附件和t o r n a d o 合作伙伴的产品结合在一起 使用。下面具体说明这两个核心功能： ( 1 ) 微内核设计 内核仅包含一个操作系统执行的最重要的底层功能。正象一个统一结构的操作系统， 内核提供了在高层软件与下层硬件之间的抽象层。然而，内核仅提供了构造操作系统其他 第g 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 部分所需的最小操作集。 处于v x w o r k s 实时操作系统核心的是高性能的微内核w i n d 。这个微内核支持所有的实 时特征：快速任务切换、中断支持、抢占式和时间片轮转调度等。微内核设计减少了系统 开销，从而保证了对外部事件的快速、确定的反应。 w i n d 还提供了有效的任务间通信机制，允许独立的任务在实时系统中与其行为相协 调。开发者在开发应用程序时可以使用多种方法：用于简单数据共享的共享内存，用于单 c p u 的多任务间信息交换的消息队列和管道、套接字，用于网络通信的远程过程调用以及 用于处理异常事件的信号等。 ( 2 ) 可裁剪的运行软件 v x w o r k s 之所以设计为具有可裁剪性，是为了使开发者能够根据自己的应用程序需要， 而不是根据操作系统的需要，来分配稀少的内存资源。从需要几个k b 字节内存的深层嵌 入式设计到需要更多的操作系统的功能的复杂的高端的实时系统，开发者也许需要从1 0 0 多个不同的选项中进行选择以产生上百种的配置方式。许多独立的模块都是在开发时要使 用而在产品中却不再使用。 而且，这些子系统本身也是可裁剪的，这样就允许开发者为最广泛的应用程序进行更 为优化的v x w o r k s 运行环境配置。例如，如果应用程序不需要某些功能模块，就可以将它 移出a n s ic 运行库；如果应用程序不需要某些特定的内核同步对象，这些对象也可以忽 略。另外，也可以根据需要将t c p 、u d p 、套接字和标准b e r k e l e y 服务移出或移入网络协 议栈。 这些配置选项可以通过t o r n a d o 的项目工具图形接口轻易的选择。开发者也可以使 用t o r n a d o 的自动裁剪特性，自动地分析应用程序代码并合并合适的选项。 2 4 4 基本构成 v x w o r k s 操作系统的基本构成部件参见图2 3 ，主要有以下五个部分构成： 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 微内核w i n d 网络系统 文件系统 i o 系统 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 - 3v x w o r k s 操作系统的基本构成部件示意图 v x w o r k s 操作系统包括了板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 、进程管理、存储 管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。v x w o r k s 只占用了很 小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。 下面分别说明各个组件的具体职能： 1 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 板级支持包为各种板子的硬件功能提供了统一的软件接口，它包括硬件初始化、中断 的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、内存地址映射和内存分配等等。每个板级支持包 包括一个r o m 启动( b o o tr o m ) 或其它启动机制。 2 高性能的实时操作系统核心w i n d ( 1 ) v x w o r k s 的核心被称为w i n d ，包括多任务调度( 采用优先级抢占方式) ，任务 间的同步和进程间通信机制，中断处理，看门狗和内存管理机制。一个多任务环境允许实 时应用程序以一套独立任务的方式构筑，每个任务拥有独立的执行线程和它自己的一套系 统资源。通信机制使得这些任务的行为能够同步、协调。 ( 2 ) w i n d 使用中断驱动和优先级的方式。它缩短了上下文切换的时间开销和中断的 时延。在v x w o r k s 中，任何线程都可以被启动为一个单独的任务，拥有它自己的上下文 和堆栈。还有一些其它的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变优先级。 ( 3 ) w i n d 提供信号量作为任务间同步和互斥的机制。在w i n d 核中有几种类型的信 号量：二进制信号量、计数信号量、互斥信号董和p o s i x 信号量，它们分别针对不同的 应用需求。所有的这些信号量都是快速和高效的，它们除了被应用在开发设计过程中外， 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 还被广泛地应用在v x w o r k s 高层应用系统中。对于进程间通信，w i n d 核也提供了诸如消 息队列、管道、套接字和信号等机制。 3 网络设施 v x w o r k s 提供了对其它网络和t c p i p 网络系统的“透明”访问，包括与b s d 套接字 兼容的编程接口，远程过程调用( r p c ) ，s n m p ( 可选项) ，远程文件访问( 包括客户 端和服务端的n f s 机制以及使用r s h ，f t p 或t f t p 的非n f s 机制) 以及b o o t p 和a r p 代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总 线，所有的v x w o r k s 网络机制都遵循标准的i n t e r a c t 协议。 4 文件系统 v x w o r k s 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使用块设备( 如 磁盘) 的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口使文件系统能够灵活地在设备驱 动程序上移植。 v x w o r k s 也支持s c s i 磁带设备的本地文件系统。v x w o r k si o 体系结构甚至还支持 在一个单独的v x w o r k s 系统上同时并存几个不同的文件系统。 v x w o r k s 支持四种文件系统：d o s f s 、r t l1 f s 、r a w f s 和t a p c f s 。 另一方面，普通数据文件和外部设备都被作为文件进行统一处理。它们在用户面前有 相同的语法定义，使用相同的保护机制。这样既简化了系统设计又便于用户使用。 5 i o 系统 v x w o r k s 提供了一个快速灵活的与a n s ic 兼容的i o 系统，包括u n i x 标准的缓 冲i o 和p o s i x 标准的异步i o 。 v x w o r k s 包括以下驱动程序：网络驱动、管道驱动、r a m 盘驱动、s c s i 驱动、键盘 驱动、显示驱动、磁盘驱动和并口驱动。 2 5 本章小结 r i p 运行在t c p i p 协议栈的u d p 协议之上。通过本章对t c p i p 协议栈基本知识的介 绍可以更加具体、直观的了解r i p 的工作环境和主要职能。 本章的第二部分介绍了路由器软件的开发工具t o r n a d o 。它在t m s 和v x w o r k s 实时操 作系统的支持下成为一种公认的强大的开发平台。使用该平台为r i p 及其它软件的顺利开 发提供了重要的条件。 下一章将会详细给出剐俨的设计和实现过程。 第1 1 页 第三章路由信息协议( r j p ) 的设计与实现 3 1 ，1r i p 总体设计 3 1r i p 设计 在路由器实时操作系统的协议栈中，r i p 模块位于p 和u d p 之上，一般是通过调用 u d p 模块提供的接口发送消息。同时，通过个消息队列来从u d p 接收到达的r 皿消息。 r i p 任务中需要维护自己的m i b 库。 r i p 与其它协议模块共同构成路由器的协议软件，它与相邻几个模块的关系如图3 - i 所示： iu i ( c 埘s n m p ii ir p i 4 i u d p i， l珥 图3 1r i p 与相邻模块关系示意图 r 四依靠u d p 模块发送和接收报文，与p 模块交换接口信息和路由表信息，向s h m p 模块提交网管信息，从i j i 模块获取用户的配置信息和命令。具体的来说，整个r 口模块 的详细功能划分及主要调用关系如图3 - 2 所示： 第1 2 页 图3 - 2r i p 内部模块与相邻模块关系示意图 r i p 系统按照功能可以划分为配置模块、接口管理模块、定时器模块、网管模块、输 入输出模块、路由表管理模块、启动模块和辅助功能模块。下面在宏观的给出整个r i p 协 议运行的模式后，将详细介绍每个模块的具体职能。 根据邱处理信息的方式将系统分成两个主要部分： 第一部分处理协议的初始化过程和信息的接收和发送，具体包括创建信号量和计时器、 初始化接口表、创建时间任务( r i p t i m e r t a s k ) 和等待接收报文、发送触发更新等。这些 工作主要由一个任务( f i p t a s k ) 来完成。 第二个部分负责处理定时工作，如发送定时更新、定时更新路由项的计时器域、定时 检查路由表的每一项是否超时，如果超时是否需要删除等，这些工作由另一个任务 ( r i p t i m e r t a s k ) 来完成。 分成两个任务处理这些工作可以使程序的结构清晰，便于协调。当然，如果把每个细 小的工作都分配给一个单独的任务处理，系统分工会更加明确，也更容易调试，但这样会 增加系统的开销。邱协议只是路由器软件的一个很小的组成部分，因此，不仅需要功能完 善，还需要尽量减少系统开销，避免占用过多的资源。 下面将具体介绍各个模块的功能： 配置模块：该模块是整个r 口协议与u i 模块的接口，能够根据用户输入的命令对协议 第1 3 页 吲防科学技术大学研究生院学位论文 的可配置参数进行配置。包括是否启动协议、是否启动接口、是否启用认证和使用何版本 号等等。 接口管理模块：该模块负责与接口相关的功能，如根据网络地址查找接口、根据目的 地址查找接口以及启动接口时从p 模块获取接口的相关参数。 定时器模块：该模块为上文提到的时间任务( r i p t i m e r t a s k ) 提供服务，包括r i p t i m e r t a s k 被创建之后的整个工作过程。该模块发送定时更新时，需要调用u d p 模块的接口进行消 息的发送