（计算机系统结构专业论文）网络环境中usb设备共享技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是一种新兴的外设总 线标准，具有即插即用、数据传输快速可靠、扩展方便、成本低、功 耗低等优点，已成为当今个人计算机必备的接口之一，同时也被广泛 地应用于嵌入式系统中。 随着u s b 应用的逐渐扩大，人们期望这种最流行的外设总线能和 最流行的i p 网络结合起来，使得u s b 设备能在i p 网络中实现共享， 以提高其使用效率，增进其可用性；然而，现有的u s b 协议及其驱动 无法满足该需求。针对上述问题，本课题提出了基于客户端服务器模 型的u s b 设备共享技术u s b o l p ( u s bo v e ri p ) 。 本课题的研究不仅具有一定的理论价值，首先，它将u s b 总线扩 展到网络中，弥补了现有u s b 协议的不足；其次，为了保证u s b 包在 i p 网络中传输的服务质量，改进了现有的网络协议算法。同时，它还 具有广阔的应用价值，涵盖了企业办公、家庭和工业控制三大领域。 另外，u s b 设备接入网络中，同当今网络无处不在的发展趋势相一致。 本课题在参考现有总线共享技术的基础上，设计了一种可行的 u s b 设备网络共享软件架构，该架构在扩展性和网络透明性上都具有 良好的性能，并在l i n u x 下进行了实现。 另外，本课题还着重研究了u s b 包在i p 网络中传输的服务质量 问题，因为良好的传输质量才能体现出u s b 快速、可靠的优点。通过 对t c p i p 协议的研究，发现拥塞控制算法对网络中数据传输的性能起 到了重要作用。因此，本课题对i p 网络中的拥塞控制算法进行了深入 研究，结合u s b 传输特点，从可靠性、实时性、优先级和包大小多方 面考虑，采用区分服务的思想，为不同类型的u s b 传输设计了不同的 拥塞控制算法； 第一类，控制和中断传输，具有可靠、数据量小等特点，对t c p 启动算法进行了改进，提出了自适应启动算法( a s ，a d a p t i v e s t a r t ) ，使 其适合小量数据包的传输。 第二类，实时传输，具有优先级高、实时性强、不可靠的特点： 山东大学硕士学位论文 首先，通过对t c p 拥塞控制过程的分析，推导得出了考虑慢启动的 t c p 吞吐率模型；然后，在该模型基础上，设计了一种简单的基于速 率的t c p 友好拥塞控制算法( s i m t f c c ，s i m p l et c p f r i e n d l y c o n g e s t i o nc o n t o r la l g o r i t h m ) ，来传输u s b 实时数据包。 最后，利用n s 仿真实验证明了上述算法能很好地满足各类u s b 数据包在网络中传输的性能要求。 关键词：通用串行总线；u s b o lp ；t c p 友好；u s b 驱动：拥塞控制 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i sa ne m e r g i n gp e r i p h e r a lb u ss t a n d a r d s ， w i t ha d v a n t a g e so fp l u g a n d - p l a y , r a p i da n dr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n ， f a c i l i t a t ee x p a n s i o n ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h a sn o wb e c o m e a ne s s e n t i a lc o m p u t e ri n t e r f a c e ，a n di ta l s oh a sb e e nw i d e l yu s e di n e m b e d d e ds y s t e m s a l o n gw i t ht h eg r a d u a le x p a n s i o no fu s ba p p l i c a t i o n s ，i no r d e rt o s h a r et h eu s bd e v i c e si ni pn e t w o r kf o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n d a v a i l a b i l i t y ，i ti sh o p e dt h ec o m b i n i n go ft h et w ot e c h n o l o g i e s ：u s ba n d t h ei pn e t w o r k h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gu s bp r o t o c o l sa n dd r i v e r sc a n t m e e tt h ed e m a n d t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，o nt h ef o u n d i t i o no f f u r t h e rs t u d i n gt h ee x i s t i n gu s bd e v i c es h a r i n gt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e r p r o p o s e dan e wu s bd e v i c es h a r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nc ss t r u c t u r e ， n a m e l yu s b o l p ( u s bo v e ri p ) t h er e s e a r c ht o p i cn o to n l yh a s t h et h e o r e t i c a lv a l u e ，i e f i r s t ， e x t e n d i n gt h eu s bt oi pn e t w o r k ，w h i c hm a k e su pf o rt h ei n a d e q u a c yo f t h ee x i s t i n gu s bd r i v e r s ；s e c o n d ，i m p r o v i n gt h ee x i s t i n gn e t w o r k p r o t o c o la l g o r i t h m si no r d e rt oe n s u r et h eq u a l i t yo fs e r v i c e so ft h eu s b p a c k e t t r a n s m i s s i o ni ni pn e t w o r k m e a n w h i l e ，i ta l s oh a sw i d e a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gd o m a i n so ft h ee n t e r p r i s eo f f i c e ，t h eh o u s e h o l d c o n t r o la n dt h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 m o r e o v e r ，a c c e s s i n gt h eu s bd e v i c e t h r o u g hi pn e t w o r ki si nk e e p i n gw i t ht h et r e n do f n e t w o r ke v e r y w h e r e i nr e f e r e n c et ot h ee x i s t i n gb u ss h a r i n gt e c h n o l o g i e s ，w ed e s i g n e da f e a s i b l eu s bd e v i c es h a r i n gs o f t w a r es t r u c t u r et h a th a dt h ea d v a n t a g e so f e x t e n s i b i l i t ya n d n e t w o r kt r a n s p a r e n c y ，a n di m p l e m e n t e di to nl i n u x i na d d i t i o n ，a sg o o dt r a n s m i s s i o nq u a l i t i e sw i l lm a t e r a l i a z et h ev i r t u e s o fr a p i d n e s sa n dr e l i a b i l i t yo fu s b ，w ea l s os t u d i e dt h ei s s u e so nt h e q u a l i t yo fs e r v i c ea b o u tu s bp a c k e tt r a n s m i s s i o ni ni pn e t w o r kt h r o u g h t h er e s e a r c ho nt h et c p i pp r o t o c o l ，w ef o u n dt h a tc o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mp l a y e d a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ep e r f o r m a n c eo fd a t a 1 1 i 山东大学硕士学位论文 - -m_ _ t r a n s m i s s i o ni nn e t w o r k t h e n ，w ew e n t d e e p i n t ot h es t u d i e so f c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m si nt h ei pn e t w o r k a n da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fd a t at r a n s m i s s i o ni nu s ba n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e f a c t e r so fr e l i a b i l i t y ，r e a l t i m e ，p a c k e ts i z e ，p r i o r i t ye t co fu s b ，w e d e s i g n e dd i f f e r e n tc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m sf o rd i f f e r e n tt y p e so f u s bt r a n s m i s s i o nw i t ht h ei d e ao fd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e 1 c o n t r o la n di n t e r r u p tt r a n s m i s s i o n t h a th a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e l i a b i l i t ya n ds m a l la m o u n to fd a t a w e i m p r o v e dt h es t a r ta l g o r i t h mo ft c pa n dp r o p o s e dt h e a d a p t i v e s t a r t a l g o r i t h m ，w h i c hw a ss u i t a b l ef o rs m a l ld a t ap a c k e tt r a n s m i s s i o n ， 2i s o c h r o n o u st r a n s m i s s i o n t h a th a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h p r i o r i t y ，r e a l - t i m e ，u n r e l i a b l e f i r s t ， t h r o u t ht h es t u d yo ft h ep r o c e s so ft c pc o n g e s t i o nc o n t r o l s ，w ed e d u c e d t h e t c pt h r o u g h p u tm o d e l w h i c hw a sc o n s i d e r i n go ft h es l o w s t a r t p h a s e ；t h e n ，b a s e du p o nt h et c pt h r o u g h p u tm o d e l ，w ed e s i g n e da s i m p l er a t e - b a s e dt c pf r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ( s i m t f c c ) ， w h i c hw a su s e dt ot r a n s m i tr e a l t i m eu s b p a c k e t s f i n a l l y ，t h en ss i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h ea b o v ea l g o r i t h m sh a dag o o d p e r f o r m a n c eo fu s bd a t ap a c k e t st r a n s m i s s i o ni nt h en e t w o r k k e y w o r d a ：u s b ：u s b o i p ：t o pfri e n d iy ：u s bdr iv e r ：c o n g e s t i o n c o n t r o l 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名。，墟匮型 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：2 叁缁导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 本课题为山东省重大科技攻关项目“具有自主知识产权的嵌入式 系统研究及开发( 2 0 0 5 g g l l o l 0 0 1 1 ”所资助。 通用串行总线1 1 l ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 。u s b ) 是一种新兴的外设 总线标准，具有即插即用、数据传输快速可靠、扩展方便、成本低、 功耗低等优点，已成为当前计算机必备的接口之一，同时也被广泛地 应用于嵌入式系统中。随着计算机技术的发展，经历了大中型机、p c 年代后，i t 业进入了消费电子产品的时代，如u 盘，移动硬盘、数码 相机、打印机等等；这类产品普遍采用u s b 作为其和p c 通讯的接口： 同时，u s b 在通讯和工业控制领域也有着广泛的应用。 随着u s b 应用的逐渐扩大，人们期望这种最流行的外设总线能和 最流行的i p 网络结合起来，使得u s b 设备能在i p 网络中实现共享， 以提高其使用效率，增进其可用性；然而，现有的u s b 协议【1 】规定一 个设备只能为一个主机所占有( 无线u s b t3 】除外) ，无法满足该需求。 针对当前u s b 应用的需求越来越大，而共享技术研究不足的情况，本 课题对i p 网络中u s b 设备共享技术进行了深入的研究，并提出了自 己的解决方法。 本课题的思想源自r o b e r t 在e d n 上发表的便携式连接：u s b 能否通过网络工作1 2 1 。r o b e r t 的研究源于u s b o l p ( 互联网协议上工 作的通用串行总线) 亲自动手项目，探索的是u s b 设备能在网络上工 作需要什么条件。该文章主要概述了项目前期准备的过程中遇到的问 题以及u s b 设备共享总体的设计思路。 本课题采用了和其相同的名称一u s b o l p ( u s bo v e ri p ) ，并在参 考现有总线共享技术的基础上，设计了一种可行的总体架构，该架构 在扩展性和网络透明性上都具有良好的性能；另外本课题还着重研究 了u s b 包在i p 网络中传输的服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 问 题，因为良好的传输质量才能体现出u s b 快速、可靠的优点。 u s b o l p 的研究不仅具有一定的理论价值，首先，它将u s b 总线 山东大学硕士学位论文 扩展到网络中，弥补了现有u s b 协议的不足：其次，为了保证u s b 包在i p 网络中传输的服务质量，改进了现有的网络协议。同时，它还 具有广阔的应用价值，涵盖了企业办公、家庭和工业控制三大领域。 l 企业办公领域。只需将u s b 打印机插在局域网中的任一主机 上，公司内部人员便可容易地共享该设备。 2 家庭领域。如今，人们可以方便的构建自己的家庭网络，多台 p c ，甚至包括家电都可以连入该网络中；通过u s b o l p 技术，人们在 家庭网络中可以方便的共享u s b 刻录机、u s b 鼠标键盘、u s b 显示 终端、u s b 音响等等；不仅如此，人们还可以通过i n t e r n e t 远程控制 家庭网络中的u s b 家电、u s b 摄像头等等。 3 工业控制领域。u s b 以其可靠、快速的传输，在工业数据采集 方面有着广泛的应用。通过u s b o l p 技术，可以远程控制u s b 数据采 集设备，保证各个设备能正确有效地运行。 另外，u s b 设备接入网络中，同如今网络无处不在的发展趋势相 一致。 1 2u s b 设备共享技术研究现状 目前，部分u s b 设备已经能在i p 网络中实现共享，例如，u s b 鼠标键盘可通过u s bs w i t c h 设备在多台主机间实现共享；u 盘可通过 网络文件系统( n f s ，n e t w o r kf i l es y s t e m ) 1 4 1 实现共享；u s b 打印机 可通过u s bs e r v e r 设备在局域网内实现共享等等。从u s b 设备共享技 术实现所处的软件层次上考虑，这些技术可分为物理层、应用层和驱 动层三类。 1 2 i 物理层实现共享 在物理层上实现共享是最为简单的一种方式，现有的技术包括 k v m 和u s bs w i t c h 。 1 k v m 是k e y b o a r d 、v i d e o 、m o u s e 的缩写，正式的名称为多计 算机切换器，它起源于早期打印机所使用的“打印机切换器”。简单的 说，就是一组键盘、显示器和鼠标，控制2 台、4 台、8 台、1 6 台甚 至到4 0 9 6 台以上的计算机主机，通过k v m 上的按键或键盘上的热键 手动实现主机间的切换。从连接键盘和鼠标来操作k v m 的技术考虑， 山东大学硕士学位论文 k v m 可分成模拟式和数位式两种类型，数位式是指通过i p 网络，来 进行远程控制的“i pk v m ”产品，用于服务器机房；而模拟式k v m 则是一般常见的k v m ，具有即插即用、平台无关、可适配各种分辨率 显示器等基本特点。在现有的产品中，u s b 鼠标和键盘一般通过模拟 式k v m 为多台主机所共享。 现有的u s bk v m 存在以下缺点：只支持键盘、鼠标等设备，缺 乏通用性；手动切换，缺乏灵活性：由于设备传输距离的限制，只能 在小范围内使用，无法实现u s b 设备的远程访问；没有和i p 网络相 结合，缺乏扩展性。 2 u s bs w i t c h 是一种类似于k v m 的切换器，但它只针对u s b 设 备。u s bs w i t c h 带有多个u s b 下行端口和多个u s b 上行端口，下行 端口用于连接多台主机，而上行端口用于连接u s b 设备，一个切换开 关用于选择当前哪台主机处于有效状态。目前，市场上最常见的为2 个端口和4 个端口的u s bs w i t c h ，支持u s b l 1 和u s b 2 0 。 同k v m 相比，虽然u s bs w i t c h 可支持各种u s b 设备类型，但仍 具有手动切换、应用范围小、缺乏扩展性等缺点。 1 2 2 应用层实现共享 该方式是通过一种上层的协议而不是u s b 驱动本身来实现u s b 设备的共享。不同类型的u s b 设备需采用不同的上层共享协议，例如， u s b 存储类设备可通过网络文件系统n f s 来实现共享，u s b 打印机类 可通过系统管理服务( s y s t e m sm a n a g e m e n ts e r v e r ) 协议实现共享。 目前，u s b i f 已核准的设备类协议有a u d i oc l a s s ( 音响类) 、c a b l e w o r k i n gg r o u p ( 电缆工作组) 、c o m m o nc l a s s( 公共类) 、 c o m m u n i c a t i o n sd e v i c ec l a s s ( 通信设备类) 、c o n t e n ts e c u r i t y ( 内容 安全) 、d e v i c ef i r m w a r e u p g r a d e g r o u p ( 设备固件更新) 、i m a g i n gc l a s s ( 图像类) 、m a s ss t o r a g e ( 大容量存储器类) 、m o n i t o r ( 监视器) 、 o p e n u s b d i ( 开放u s b 驱动器接口) 、p h y s i c a li n t e r f a c ed e v i c e s ( 物 理接口设备) 、p o w e r ( 电源) 、p r i n t e rc l a s s ( 打印机类) 和t e s t & m e a s u r e m e n tc l a s s ( 测试和测量类) 。 该共享方式通过软件实现，克服了u s bs w i t c h 中手动切换的缺点， 山东大学硕士学位论文 应用范围更加广阔；然而，该方式没有为设备驱动提供网络的透明性， 每类u s b 设备需要自己特有的上层协议才能实现共享：而且大部分 u s b 设备类缺乏现成的上层共享协议，需额外开发；另外，上层协议 无法实现u s b 设备操作的全部功能，例如，n f s 无法实现对硬盘中某 个块的擦除操作。 1 2 3 驱动层实现共享 该方式是通过修改扩展现有的u s b 协议栈来实现网络共享功能， 无需额外的上层共享协议，为设备驱动提供了良好的网络透明性，同 时可提供所有的u s b 设备操作功能。目前，未找到国内研究的相关资 料，国外研究有产品u s bs e r v e r ，无线u s b t ”，以及开源的u s b i p 项 目t 5 1 。 1 u s bs e r v e r 是一种小型的嵌入式设备，类似于u s b 集线器， 带有一个网络接口和多个u s b 上行端口，网口用于连接局域网，而上 行端口用于连接多个u s b 设备，并且可通过s t a t i c d h c p z e r o c o n f i g 三种方式配置i p 地址。局域网中，任一主机安装上客户端软件后，便 可互斥地访问u s bs e r v e r 上连接的设备。 u s bs e r v e r 具有使用简单的优点；然而，目前的u s bs e r v e r 产品 只能支持有限种设备，没有给设备驱动提供完全的网络透明性；只能 用于e t h e r n e t 或w i f i 网络，应用范围小。 2 无线u s b 标准 3 】是由i n t e l 公司于2 0 0 4 年初发起制定的，在经 历了数十次的修改、扩充、讨论和完善后，于2 0 0 5 年5 月制定完成了 无线u s b l 0 标准，并将其移交给u s b 实施论坛( u s b i f ， u s b i m p l e m e n t e r sf o r u m ) 。无线u s b 的数据流模型层次结构和u s b 2 0 基本相同，但在总线层发生了很大变化，m a c 层和物理层采用了 m b o a 制定的u w b ( u l t e rw i d eb a n d ) 超宽带标准。无线u s b 的传 输速率因距离而定，2 米范围内可达4 8 0 m b p s ，1 0 米内达到1 1 0 m b p s 。 无线u s b 标准虽然支持多个h o s t 访问同一u s b 设备，但其传输 距离一般为1 0 米之内，只适用于家庭或办公环境；同时，无线u s b 标准没有涉及和i p 网络结合的问题，应用范围受限。另外，无线u s b 采用的频谱范围为3 1 g h zl o 6 g h z ，该频段的使用各个国家都有限 4 山东大学硕士学位论文 制，需专门批准，因此无线u s b 的普及需要一定的时间。 3 u s b i p t 5 1 是s o u r c e f o r g e 上的一个开源项目，其且标是在i p 网 络中实现u s b 设备共享系统。u s b i p 项目起始于2 0 0 4 年1 0 月，由 h i r o f u c h i 独自研发，操作系统平台为l i n u x ( 2 6 内核) 。为了能在计 算机间共享u s b 设备的所有功能，u s b i p 把“u s b 协议”封装成i p 包在计算机间传输，而现有的u s b 设备驱动和应用不需任何修改。 u s b i p 为应用程序和设备驱动提供了网络的透明性。然而，对于 不同的u s b 传输方式，u s b i p 统一采用t c p 来传输，因此，无法满 足u s b 实时传输的要求。 1 3 本文的主要内容 全文共分六章，所进行的主要工作和研究内容包括： 1 第一章介绍了课题研究的意义和背景，分析了u s b 共享技术 的研究现状，并指出了目前相关研究中存在的问题和不足，进而确定 了本文研究的主要内容。 2 第二章研究并确定了u s b o i p 的设计目标，并在此基础上设计 了u s b o i p 的总体架构、逻辑层次架构，以及主客户端( h o s tc l i e n t ) 和u s b 服务器( u s bs e r v e r ) 间的通讯协议。 3 第三章给出了主客户端和u s b 服务器上软件的具体实现，并 对其中的技术要点进行了详细探讨。 4 第四章首先介绍了u s b o l p 中各类传输的q o s 保证策略，然后 深入研究了t c p 拥塞控制算法，并结合u s b 控制和中断传输的特点， 提出了一种新的t c p 启动算法一自适应启动算法，以保证控制和 中断数据包在网络中传输的服务质量；另外，u s b 批量传输，针对其 在u s b 总线传输中优先级最低的特点，采用了t c p l p 拥塞控制策略， 使得批量数据包在网络中传输时，也具有较低的优先级。 5 第五章推导得出了考虑慢启动的t c p 吞吐率模型，并在该 模型基础上提出了一种简单的基于速率的t c p 友好拥塞控制算法，以 保证u s b 实时数据包在网络中传输的服务质量。 6 第六章对全文进行了总结，并展望了今后需进一步开展的研究 工作。 山东大学硕士学位论文 第2 章u s b o i p 总体架构 前一章中介绍了u s b 设备共享技术的研究现状，这些技术都存在 着各自的优缺点；鉴于此，本章首先提出了u s b o i p 的设计目标，然 后，结合u s b 总线的特点，设计了u s b o i p 的总体架构和软件逻辑层 次模型，最后详细介绍了主客户端和u s b 服务器间的通讯协议。 2 1u s b o l p 的设计目标 由1 2 节可知，现有的u s b 设备共享技术没能为应用程序和设备 驱动提供网络的透明性，或虽然提供了网络的透明性但仍存在着各自 的不足。鉴于此，为了获得更好的性能，u s b o i p 应具有如下设计目标。 目标l ：为应用程序提供网络的透明性。应用程序不需考虑u s b 设备是在本地还是远程，一律采用统一的操作访问u s b 设备。 目标2 ：为u s b 设备类驱动提供网络的透明性。u s b 设备类驱动 在访问u s b 设备时，不需区分该设备是在本地还是远程，一律采用统 一操作，即保证现有的u s b 设备类驱动不需修改，仍可使用。 目标3 ：保证现有的u s b 设备不需改变，仍可使用。这是u s b o i p 设计中的一个重要目标，最大化地利用现有的u s b 设备资源，决定了 本课题的实用价值。 目标4 ：尽可能保证u s b 包在i p 网络中的传输质量接近现有u s b 总线。这是u s b o i p 设计中的重点也是难点，因为u s b 正是凭借着其 可靠、快速的特点，成为最通用的外设总线，而现今的i p 网络只能提 供尽力而为的服务，所以期望u s b 扩展到网络中后，仍就能够保持原 有可靠、快速的优点。 目标5 ：u s b 主机可获得远程u s b 共享设备的全部功能，即远程 设备，同本地设备一样，提供给u s b 主机其所有的功能。 2 2 总体架构 u s b o i p 总体架构的设计需考虑三方面因素，一方面是现有u s b 的拓扑结构，另一方面是2 1 节中的设计目标，最后是网络中数据通讯 模型。在兼容现有u s b 拓扑结构的基础上，结合设计目标和网络中常 用的数据通讯模型，本节设计了u s b o i p 的总体架构。 山东大学硕士学位论文 2 2 1u s b 拓扑结构 u s b 系统1 l f 6 1 由u s b 主机( h o s t ) 、u s b 集线器和u s b 设备三部 分组成，其物理拓扑为分层的星型结构，如图2 1 所示。 u s b 集线器处于每个星型结构的中心，u s b 规范将其归入u s b 设 备的一种，因为它具有u s b 设备的普遍特性。u s b 主机处于整个u s b 系统的中心，它带有一个嵌入的集线器称为根集线器。由于总线电气 特性的限制，物理上的u s b 设备最多可以通过u s bh u b 扩展6 层。 u s b 系统最多允许同时连接1 2 7 台设备，这些设备可自行选择总线供 电或自己供电。 u s b 系统采用主从结构，所有的数据通讯都由主端( u s b 主机) 发起，而从端( u s b 设备) 一直扮演受控的角色，按照主端的要求接 收或发送数据。u s b 不同于p c i 、1 3 9 4 总线，整个系统只允许一个u s b 主机。从硬件上看，u s b 主机和根集线器集成在一起，称为u s b 主控 制器，目前流行的主控制器规范有i n t e l 公司的e h c i ( e n h a n c e dh o s t c o n t r o l l e ri n t e r f a c e u s b 2 0 ) 和u h c i ( u n i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e u s b l 1 ) ，m i c r o s o f t 公司的o h c i ( o p e nh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e u s b l1 ) 。u s b 设备根据类型不同完成不同的功能，目前 u s b i f 已核准的设备类协议已在1 2 2 节中介绍。 图2 1u s b 拓扑结构 2 2 2u s b o l p 总体架构 u s b o l p 总体架构采用客户服务器数据通讯模型，多个客户端能 透明地访问服务器上的u s b 设备，如图2 2 所示。图中客户端和服务 山东大学硕士学位论文 器( a 区域) 间采用了分布式系统中常用的客户端服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 模型，而服务器和设备( b 区域) 间保持了原有u s b 系统的拓扑结构。 u s b 服务器是带有一个网络口和一个u s b 主机端口的嵌入式系 统，直接控制所有的u s b 设备，其功能不是u s b 协议和t c p i p 协议 间的简单转换，而是作为一个中间层，和客户端配合，扩展了现有的 u s b 系统结构，在客户端增加了一个虚拟的u s b 主控制器接口v h c i ( v i r t u a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) ，如图2 - 3 所示，因此称之为u s b 服务器( u s bs e r v e r ) 。通过v h c i ，客户端和服务器通讯，从而实现 对远程u s b 设备的透明访问，即远程设备就像直接连接在本地一样， 因此客户端在逻辑上也起到了u s b 主机的作用，称为主客户端。 p c u s b b 区域 主客户端 网络 啪一设备 f 一 一= - b u s l u s b 服务器 保证了现有的u s b 设备仍可使用( 设计目标3 ) 。u s b 设备通 过服务器实现网络共享，而设备和服务器间通过u s b 总线连接，因此 现有的u s b 设备不需任何改动，仍可使用。在前期设计过程中，另一 个方案是u s b 设备直接连接于网络，这便需要在现有的u s b 设备上增 加网络功能，显然和设计目标3 相违背。 2 符合u s b 系统中胖主机，瘦设备的特点。复杂的u s b 软 件系统都位于主客户端，而作为嵌入式设备的u s b 服务器设计相对简 单，便于实现和应用。 3 有利于统一管理和扩展。通过u s b 服务器来访问设备，有利 于u s b 设备的统一管理，同时，可以方便地在u s b 服务器上添加各种 附加功能，如安全认证。 4 易于使用。u s b 服务器为嵌入式设备，具有体积小，功耗低等 山东大学硕士学位论文 特点，便于携带和移动。 2 2 3 环境 整个u s b o i p 系统的软件环境为l i n u x 操作系统，主客户端采用 l i n u x2 6 1 7 内核，而u s b 服务器采用嵌入式o su c l i n u x 2 6 ：硬件环 境，主客户端为普通p c ，而u s b 服务器为带有网络接口和u s b 主机 接口的嵌入式系统。本文后续内容中对于u s b 协议栈的讨论都基于 l i n u x 系统。 网络环境为以太网e t h e r n e t 和i n t e r n e t ，以太网带宽一般为 1 0 0 m b p s ，通常以1 0 m b p s 的带宽接入i n t e r n e t 网中。该网络带宽和 u s b l 1 规范中低速( 1 5 m b s ) 和全速( 1 2 m b s ) 的传输要求相近； 但和u s b 2 0 规范中高速( 4 8 0 m b s ) 传输要求相差甚远。 因此，本课题所面临的最大问题是如何保证u s b 包在网络中传输 的服务质量( q o s ) 。对于本地u s b 系统，文献【7 】提出了u s b 带宽预留 策略和r e i n s e r t 算法，提高了u s b l 1 中周期性传输的q o s ：文献【8 】 将文献【7 】中的算法扩展至u s b 2 0 ，并利用选票服务系统模型对保证非 周期性传输q o s 的可能性做了分析。 对于在网络中传输u s b 数据包，本课题将通过以下两点来保证其 q o s ，l 减少客户和服务器间的数据通讯量，2 结合u s b 包特点， 改进t c p i p 协议中的拥塞控制算法( 参见第4 、5 章) 。 2 ，3 逻辑设计 本节首先分析了现有的u s b 驱动层次结构；然后提出了种通用 的外设总线扩展技术；最后，利用该技术，在上一节总体架构的基础 上，设计了u s b o i p 的驱动层次模型。 2 3 1u s b 驱动层次结构 图2 - 3 展示了u s b 主机端的驱动层次结构。最上层为设备类驱 动层，中间为u s b 核心驱动层，最底层为u s b 主控制器驱动层。 u s b 设备类驱动主要实现了对特定设备的功能管理和配置等操 作，从用户的角度看相当于传统意义上的设备驱动程序，但该驱动不 能通过i o 地址或端口直接访问设备的硬件，而是通过u s b 核心层提 供的接口和设备交互。一类u s b 设备共用同一设备类驱动，如常用的 9 山东大学硕士学位论文 u 盘和移动硬盘采用m a s ss t o r a g e 协议，这些协议由u s b i f 定义，参 见1 2 2 节。 图2 - 3u s b 主机驱动层次结构 u s b 核心驱动又称为u s b 内核，主要实现了总线带宽管理、u s b 四种传输方式的管理、u s b 设备的配置和管理、设备类驱动管理以及 主控制器驱动管理等功能，为上层设备类驱动提供了u s b 设备的抽象， 并在设备类驱动和设备之间提供了数据传输的抽象。u s b 内核和主控 制器驱动共同构成了u s b 系统，实现了u s b 规范中定义的主机功能； 目前，最常用的u s b 规范有u s b l 1 和u s b 20 t “。 u s b 主控制器驱动( h c d ，h o s tc o n t r o ld r i v e r ) 主要实现了对主 控制器硬件的配置和管理，为上层u s b 内核提供了主控制器的抽象以 及数据在总线上传输的抽象。u s b 驱动将h c d 单独列为一层次，除了 表示它与主控制器硬件关系紧密之外，是为了扩展多个主控制器，u s b 设备类驱动不用关心u s b 设备具体连接在哪个主控制器上。一个h c d 控制一个主控制器，现有的主控制器接口标准有u h c i ( i n t e l ) 、o h c i ( m i c r o s o f t ) 和e h c i ( i n t e l ) ，前两者支持u s b l 1 规范，后者支持 u s b 2 0 规范。 综上所述，整个u s b 驱动采用开放的、易扩展的结构，任何新的 主控制器和新的设备类驱动都可作为模块动态添加到协议栈中。 山东大学硕士学位论文 2 3 2u s b 驱动模型扩展技术 基于上节对现有u s b 驱动模型的分析，本节提出了一种通用的 u s b 总线扩展技术，即在u s b 主控制器驱动层添加一个虚拟的主控制 器接口( v h c i ，v i r t u a lh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) ，如图2 3 右下脚所 示。v h c i 向下屏蔽了本地和远程u s b 设备的区别，向上为u s b 核心 层提供了统一的主控制器驱动接口。对上层驱动来说，底层采用任何 通讯接口，如网络、串口、并口，都没有区别，即上层驱动可以无缝 地和远程设备交互。v h c i 通过底层通讯接口，将u s b 内核传下来的 数据发送到远程设备上，同时接收远程设备返回的数据，并提交给u s b 内核。 在本扩展技术下，1 现有的u s b 设备类驱动、u s b 核心驱动和 其它主控制器驱动都不需变动，仍可使用；2 对于设备类驱动来说， 远程设备和本地设备无差别，可获得远程设备的全部功能；因此，可 满足设计目标l 、2 和5 的要求。屋前，采用类似外设总线扩展技术的 标准有i s c s i 【9 】( i n t e r n e ts m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) ，i s c s i 将 s c s i 总线扩展到了i p 网络中，该标准已在i p 存储中得到实际应用。 2 3 3u s b o l p 驱动层次模型 利用上述扩展技术，u s b o i p 在主客户端添加了一个虚拟主控制器 接口，由于底层采用网络接口，因此称之为网络主控制器驱动( n h c d ， n e t w o r kh o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) ，n h c d 通过i p 网络和u s b 服务器通 讯，来访问远程设备。同时，u s b o l p 在u s b 服务器的设备类驱动层 添加了一种新的设备类驱动一u s b 网络设备类驱动n d c d ( u s b