（通信与信息系统专业论文）基于intel386的多协议网关的设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 路由选择，依据如何形成路由表，呵分为静态和动态两种路由协议。 不同的路由协议算法之间有着本质的区刖，它们有各自不同的应用领域。 动态路由灵活性强，能适应网络的动态变化，适用于较大规模的网络。静 态路由具有可靠性高，无路由收敛计算路由器资源和线路资源占用少等 优点，比较适合于小规模点对点的连接祁边界网络路由的接入等。本文在 路由器的基本工作原理基础上，实现了一种基于静态路由的多协议网关。 该网关中实现了多种网络协议：a r p ，i i ，u d p ，l c 佃，s l a r p ，异步p p p ， t f t p 等：支持d d n 网，电话网和以太刚的互连；并可实现与c i s c o 路由 器的互操作。经测试该网关工作稳定，数据报的转发速率高，且操作维护 方便。 关键词：计算机网络 网关静态路由 i pa r pd d n i c i p a b s t r a c t 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一 一一咖刚一一一一一一一 曲n唱_至。“。曲w叫盼叫&c一一慨一一一一帅岍一一 二|耄一帆一一一一一一 ：茎；b岫，m h吖州附，叭m眦呐；_m讣她m倒m：量州m 捌 。 一 玎m 孙呖 唧砷1 | 耋 煳_ =篇篇黑纛麓慨然 一一一一一一一一一一一 t h h 、 e 札 鲫 叮“ s u t e t k g k 引 掣t 引弭 y o 1 r 1 r r h r k l a e r e r e r o & 扎 刘 引 叫 ， 叭 h t 0 f o w l 们 ： ： p 刨 t 一一一啡一一一一一一 1 l 、，；l i i、“【 山东大学硕士学位论文 鼍皇鼍詈寡m i ii ii i i i i 皇宣暑篁寡 s t e a d i l y ，a n dh a sh i g hd a t a g r a mf o r w a r dp e r f o r m a n c e m o r e o v e rt h e g a t e w a y so p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ea r es i m p l e i n d e xt e r m s ：c o m p u t e rn e t w o r k s a r pd d ni c 肝 3 g a t e w a y s t a t i cr o u t i n gi p 山东大学硕士学位论文 第一章引言 随着通信技术和计算机技术的不断发展以及大规模互联网络系统的 广泛应用，各种l a n 协议、w a n 协议以及路由选择等网络互连技术越来越 成为人们关注的焦点，各种基于计算机网络的应用正日益广泛。如何掌握 并运用各种网络技术，找到适用于各自应用项目的最佳网络解决方案，是 每一个网络方案的设计者要面临的问题。 互联网络是通过路由器连接多个独立的使用不同技术的局域型网络 而形成的一个覆盖面更广泛的网络。建立一个大规模的互联网络，将面临 在传输媒质、可靠性、稳定性、安全性、扩充性和网络管理等方面的问题。 要很好地解决上述问题，建立起一个高效率、商质量的互联网络，必须根 据每个应用项目的实际情况，选择合理的网络方案。而每个网络方案中都 不可缺少的重要部分就是路由选择协议的确定。 路由是指通过互联网络由源向目标传递信息的通道，信息沿着路由至 少通过一个中间节点。而路由选择则是快速、正确的寻找这种通道的过程。 路由选择作用于o s i 参考模型的第三层( 网络层) 。路由选择过程包括两 个基本的活动：决定最佳路径和通过互联网络传输信息组。 使用不同的路由选择协议对网络和路由器资源、对最佳路径的计算结 果、对路由协议操作的结果都会有不同的影响。一般来讲，应该考虑协议 的简易性和低开销、强壮性、稳定性、迅速收敛性、灵活性等几方面的性 能，结合应用项目的实际需求，选择合理的路由选择协议。 一般常用的路由选择协议，依据如何形成路由表，可分为静态路由协 议和动态路由协议。依据如何计算路由表，动态路由协议可分成距离向量 法( 如r i p ) 或最短路径优先法( 如o s p f ) 。依据网络路由器的划分，可 分为内部网络协议( 如1 6 r p ) 和外部网络协议( 如b g p ) 。 由于不同的路由协议的算法之间有着本质的区别 1 3 ，例如一个最优 的域内路由选择算法并不定是最佳的域间路由选择算法。因此在不同的 网络方案中，应选择合理的路由选择协议。路由选择算法使用许多不同的 计算标准确定最优路由，一些复杂的路山选择算法将多种计量标准融为一 体。常用的计量标准有路径长度、可靠性、路由选择、延迟带宽、负载、 4 山东大学硕士学位论又 通信开销等。 在动态路由中，距离向量型路由协议计算较为简单，不易发生设置 错误，路由器计算资源占用少，网络维护简易。这类路由协议，如r p 等，适用于规模较小的网络或链路较为稳定的网络。但是对于大型网络 拓扑结构的变化，反应迟缓，并存在慢收敛问题，极可能发生路由循环并 造成路由阻塞。链路状态型路由计算，是一种比较精确的动态路由计算 方法。利用网络状态图，链路状态协议可计算出比距离向量法更精确的 路由，在网络中只传送小部分的路由更新信息，收敛迅速、无环路，支 持精确的量度值，支持多种量制式，支持通往一个目的站点的多重路径， 区分不同的外部路由。但其计算方法较复杂，为建立与维护网络状态图， 所耗路由器的资源较大，设置和维护较为复杂，该协议适用于大型、复 杂、大量路由器的网络。 同动态路由相比，静态路由有灵活性差，不适应动态变化的网络， 网络规模一大，网络维护的问题就很突出等缺点。但是静态路由具有高 可靠性，无路由收敛计算，路由器资源和线路资源占用少等优点，因此 静态路由比较适合于小规模点对点的连接和边界网络路由的接入。如果 在不真正需要的情况下坚持使用动态路由，只会造成带宽、人力和财力 的浪费。 图】1 所示使用静态路由的例子。在路由器2 上只需设定一条缺省 路由指向路由器1 的s 0 口地址，在a 网段上所有主机的缺省路由均指向 路由器2 的e o 口地址，在路由器1 中只需设定一条静态路由，目的地址 是a 网段，网关是路由器2 的s o 口地址。路由器1 通过将该条静态路由 注入其所在的自治系统中的路由表，即可实现a 网段上的主机与该自治 系统( a s ) 中某台主机的通信。 山东大学硕士学位论文 i ii 由于历史的原因，网关( g a t e w a y ) 又被称为路由器( r o u t e r ) ，本文 中许多地方用路由器来指网关，实际上两者意义相同。 本文的提出是基于一科研项目的需要。由于该系统中网络的结构较简 单，如上所述，无需使用复杂的动态路由算法，因此本文提出了一种使用 静态路由的多协议网关的设计方案，并给出了其具体的实现过程和方法。 本文采用同i n t e l 3 8 6 完全兼容的1 c o p 6 0 1 5 作为系统c p u ，在此基础 、 上设计了e t h e r n e t 接口，h d l c 接口，和异步p p p 接口以及c o n s o l e 接口 等硬件电路。 同时网关中的软件工作较复杂，本丈实现了多种网络协议：a r p ，i p ， u d p ，i c m p ，异步p p p ，h d l c ，s l a r p 以及t f t p 等。本文所设计的静态路 由器支持d d n 网，电话网和以太网的互连，并可实现与c i s c o 路由器的互 操作。 本文的组织结构是：第二章中首先讲述了计算机网络的分层模型，然 后讨论了计算机网络的路由结构和各种路由算法，较详细的讲述了三种内 部网关路由协议和路由器的结构。第三章中首先讲述了本文所设计的路由 器的硬件框架，给出了各个网络接口电路的硬件实现过程和相关协议标 。 准。然后描述了本路由器中软件的总体结构，给出了软件的分层模型。并 详细讨论了网络接口层，缓冲区管理，分组的输入输出过程等。第四章中 详细讲述了本系统中各个网络协议的实现过程，包括a r p ，i p ，i c m p 等。 山东大学硕士学位论丈 i 第二章路由器的工作原理 2 1 分层网络的参考模型 计算机网络是指多台自主计算机( n u t 。n o m o u sc o m p u t e r s ) 互相连接 的集合，这些计算机通过铜线，光纤，微波以及通信卫星等物理介质相互 交换信息。目前计算机网络的传输技术可以分为两类：广播传送和点到点 传送。计算机网络也经常按照它的连接距离进行分类，因为在不同的连接 距离下，所使用的技术是不同的。通常可分为局域网，城域网和广域网， 若干各种结构的网络在世界范围内的互连成为因特网( i n t e r n e t ) 。 在计算机网络的设计中，为了减少协议实现的复杂性，网络都按照层 ( 1 a y e r ) 的方式来组织。每层部建z 在它的下层之上，下层的实现细 节对上层隐蔽。目前两个重要的分层模型是o s i 参考模型和t c p i p 参考 模型 1 ， 1 4 。 ( 一) o s i 参考模型 该模型是根据国际标准化组织( 1 5 0 ) 的建议制定的，它是开放式系 统互连的参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 。 如图2 - i 所示。 物理层( p h y s i c a l1 a y e r ) 直接与硬件交互作用，在信道上处理原始 的比特流。例如二避制0 和1 各用什么电信号表示，最初的连接如何建立， 通信完成后如何终止，以及网络接插件的定义等。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 的主要任务是加强物理层传输原始 比特流的功能，使之对网络层显现为一条无错链路。其主要功能有差错控 制和流量控制。在广播式的网络中，该层还要实现对共享信道的控制和分 配。 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 涉及到j 二网的运行控制，其中一个关键问 题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。路由的选择可以选用固定的 静态路由表，也可以根据当前网络的负载状态，灵活的为每一个分组决定 7 路由。该层还要处理分组的阻塞控制，解决异构网络的互连问题等。 传输层( t r a n s p 。r tl a y e r ) 可以 。i - + 。, n i t 一条无错的，按顺序 发送报文的端到端的信道，也可以提供不保证顺序的独立报文传送，或者 多目标报文广播。为上层提供透明的数据传输服务，同时该层还要进行端 到端的流量控制。 表示协议 会话协议 卜一再骈商丽 一暴一 1 一一一一一一 ，_ ， 通信子网边界 卜 ( 匿互雠圈 jl 卜 - - -1怔垂 囟 l 网络层主机路由器协i 链路层主机一路由器协i 主机 图2 - 1o s i 参考模型 会话层( s e s s i o n1 a y e r ) 允许不同机器上的用户建立会话( s e s s i o n ) 关系。该层提供同步功能，可以记录传输层失败时的数据断点，故障恢复 后只需继续传送后续数据。 表示层( ! _ l r e s e n t a t i o nl a y e r ) 用于处理所传输的信息的语法和语义。 山东大学硕士学位论文 l l l l l 例如将某些数据结构在本地计算机的内部表示法和网络的标准表示法之 间进行转换。 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 是o s i 结构的最高层，直接为端用户 服务。例如电子邮件服务，远程作业输入等。 ( 二) t c p i p 参考模型 该模型是由a r p a n e t 发展的结果，在两个主要的协议( t c p 和i p ) 出 现以后，被称为t c p ，i p 参考模型( t c p i pr e f e r e n c em o d e i ) 。该模型的 分层结构如图2 - 2 所示。 资助a r p a n e t 的国防部希望网络的运行能够不受子网硬件损失的影 响，也就是只要源主机和目的主机都在工作，即使某些中间机器或传输线 路突然失去控制，连接也能保持住。分组的传送能继续进行。这种需求导 致了基于无连接互联网络层的分组交换网络。 0 s it c p i p 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 t c p 碑中不 存在 图2 - 2t c p i p 分层参考模型 互联网层是整个t c p 1 p 体系的关键部分。其主要功能是把分组发往 任意网络，并且使各个分组独立的传向目标。该层定义了正式的分组格式 和协议，即i p 协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。该层的功能就是将i p 分组发 送到正确的地方。分组的路由选择和避免网络发生阻塞是本层主要的设计 问题。 传输层是互联网层的上一层。它的功能是使源端和目标端主机上的对 等实体可以对话。该层中定义了两个端到端的协议。第一个是传输控制协 议t c p ( t r a n s m i s s i o ne o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。这是一个面向连接的协议， 能够将数据流无差错的发到对端。同时。r c p 还要实现流量控制。第二个是 山东大学硕士学位论叉 用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 。它是不可靠的无连接 协议，用于不需要t c p 的排序和流量控制功能的应用程序。 t c p i p 模型没有会话层和表示层，传输层之上即为应用层。该层包 含各种高层协议。例如早期的t e l n e t ，f t p ，s m t p 等，以及后来的h t t p 协议等。 t c p i p 模型没有描述互联网层以下的各层，而只是指出主机必须使 用某种协议与网络相连，以便在其上传递分组。 2 2i n t e r n e t 的路由结构 ( 一) 路由表的结构 i p 地址的编码具有其特殊性，可以利用主机地址的高位部分来代表 其所属网络的地址。例如对2 0 2 1 9 4 2 0 9 1 这样一个主机地址，可以用其 高2 4 位表示其所属的网络地址，也就是与2 0 2 1 9 4 2 0 9 1 高2 4 位相同的 主机部位于同一个网络中。i p 数据报在传送过程中，只有当它到达在与 其报宿处于同一网络，同时也是转发途径中的最后一个路由器时，其主机 的i p 地址才有对这个路由器有意义。而这之前所有的路由器只关心i p 地 址中的高位网络地址部分。因为具有相同网络地址的主机必定属于同一网 络，所以只需根据网络地址检索路由表，即可得到下一个路由器的地址。 这样不停的查表转发，直到最后一个路由器。这是才使用a r p 等地址解析 协议求出目的主机的物理地址，把i p 数据报发送给目的主机。因此路由 表中只需保留目的主机的网络地址，这样可以减小路由表的规模，同时加 快查表的速度。 ( 二) 自治系统的概念 2 路由器在启动时，通常由外存读入数据初始化路由表。然后随着网络 运行状态的变化，如线路，主机，路由器的增减：故障的发生和排除等， 路由器需要及时的更新路由表，以正确的反映网络当前的状态。因此路由 器之间需要按照一定的规则交换和学 - 3 路由信息。但是一个路由器的路由 表中不可能包含所有的网络地址。首先因为网络地址数量巨大，单个路由 表的维护和查找都非常困难。其次由于i n t e r n e t 中包含大量不同的对象， 要将他们的变化及时的反映到所有路由表是不可能实现的，同时这种全局 山东大学硕士学位论叉 路由信息的交换会耗用大量的通信资源，影响正常的数据传输。因此 i n t e r n e t 将整个网络划分成许多相对独立的局部系统，采用分布式的路 由算法，每个路由表中只包含局部的路由信息。 i n t e r n e t 是在a p a r n e t 的基础上发展起来的，a p a r n e t 发展为广域网 后，t n t e r n e t 的设计者将a p a r n e t 作为主干网，各本地局域网通过网关 与a p a r n e t 相连，从而构成了i n t e r n e t 的雏形。这些连接本地局域网与 a p a r n e t 主干网的网关即为核心网关。这些核心网关之间要不停的交换路 由信息，以保证整个 n t e r n e t 路由的一致性。该核心结构如图2 3 。 心网关 图2 - 3i n t e r n e t 的核心结构 随着核心网关的增多，主干网上的路由更新信息的开销变得很大，影 响了主干网的正常运行。因此在核心系统引入了自治系统的概念a s ( a u t o n o m o u ss y s t e m ) ，其中可包含多个网络和网关( 非核心网关) ，通 过唯一核心网关与主干网相连。非核心网关由本地自行管理，这样一方面 给予本地网络较大的灵活性，另一方面减轻了i n o c ( i n t e r n e t 网络操作 中心) 的负担。自治系统通过授权的非核心网关向核心网络通告本地的 路由信息，使核心网关能对本地主机选路；同时核心网关也要通过这个网 关报告主干网的路由信息。 i n t e r n e t 的路由模式大致为：在自治系统内部，各外部网关共同完 成本地路由；当目的主机位于另一个自治系统时，本地网络通过默认路由 将数据报发往与之相连的核心网关，进入主干网，再通过核心网关的协同 作用，将数据报通过与目的主机所在的自治系统相连的核心网关进入该自 治系统内部，再通过自治系统内部的路由器到达目的主机。 山东大学硕士学位论又 网关之间通过一定规则交换路由信息时存在三种情况：核心网关之 间，自治系统与核心网关之间，自治系统内部的网关之间。所以路由协议 可分为三类，一是核心网关协议g g p ( g a t e w a y g a t e w a y p r o t o c 0 1 ) ；第 二是自治系统内部使用的路由协议，称为 g p ( i n t e r i o rg a t e w a y d r o t o c 0 1 ) ，由于各自治系统相互独立，其路由协议不必统一，常用的有 r i p ，i g r p ， 图2 - 4i n t e r n e t 的树型结构 h e l l o ，o s p f 等；最后自治系统与核心网关之间采用e g p ( e x t e r i o rg a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 协议，主要包括e g p ，b g p 等。 i n t e r n e t 是以核心系统为根的树型结构，如图2 - 4 所示。为了降低 各自治系统对核心系统的依赖性，使i n t e r n e t 的控制和管理分散化以提 高可靠性，各自治系统之间可以建立信任关系，这样自治系统之间可以按 照一定的协议规则直接交换路由信息，而不需通过核心网关。这种协议也 是外部协议e g p ，这种协议只需自治系统之间相互协商即可。 。 下面详细介绍自治系统内部使用的路由协议i g p 。 山东大学；女士学位论文 2 3自治系统内部的选路：i g p 协议 2 3 1r i p 协议 r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i 。nf ) r o t o c t ，】) 协议 5 ，基于距离矢量算法， 把参与通信的机器分为主动的( a c t 】v e ) 和被动的( p a s s i v e ) 两类。主 动路由器向其他网关通告路由，被动者接收通告并在此基础上更新其路 由。 主动路由器定时广播一次报文，该报文包含了路由器当前选路表中的 信息。报文由序偶组成。每个序偶由一个i p 网络地址和一个代表到达该 网络的距离的整数构成。运行r i p 的机器都要监听所有的r i p 广播报文， 如果广播报文中有本地路由表中不存在的路由信息，则将其添加到路由表 中；或者本地已存有相同路由，但报文中的路由途径更佳，则将老的路由 替换。r i p 报文的格式参见r f c l 0 5 8 。 同任何矢量距离协议一样，r i p 会产生慢收敛( s l o wc o n v e r g e n c e ) 问题从而引起选路表的不一致性。分隔范围更新( s p l i th e r i z o nu p d a t e ) ， 毒性逆转( p o i s o nr e v e r s e ) ，触发更新( t r i g g e r e du p d a t e s ) 等技术可 在一定程度上解决该问题。 r i p 报文中的地址字段占用了1 4 个字节，这使得r i p 的使用不局限 于t c p i p 中，也可用于其他网络协议族。r i p 的报文长度依靠底层投递 系统通告接收方。在t c p i p 系统中r i p 工作在u d p 之上，端口为5 2 0 。 r i p 协议选路的度量是跳数，这种度量方法只能对网络响应能力和容 量作粗略的估算，不能产生最佳的路由，并且r i p 很小的跳数限制( 1 6 ) 制约了网络的规模。同时该协议的路由选择也不能对网络负荷的变化做出 反应。 2 3 2i g r p 协议 i g r p ( i n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 9 是八十年代中期由 c i s c o 公司开发的路由协议，主要目的是为a s 内的路由提供一种健壮的 山东大学硕士学位论又 协议。c i s c o 最初的i g r p 实现工作在1 p 网络上，但i g r p 可以运行于任 何网络环境中的。在九十年代初c i s c o 开发了增强型l g r p ( e i g r p ) 以提 高i g r p 的工作效率。 i g r p 也是一种距离向量型的内部网关协议( i g p ) 。距离向量路由协 议要求每个路由器以规定的时间间隔向其相邻的路由器发送其路由表的 全部或部分。随着路由信息在网络上扩散，路由器就可以计算到所有节点 的距离。 i g r p 使用组m e t r i c 的组合( 向量) ，网络延迟、带宽、可靠性和 负载都被用于路由选择，网管可以为每种m e t r i c 设置权值，i g r p 可以用 管理员设置的或缺省的权值来自动计算最佳路由。j g r p 为其m e t r i c 提供 了较宽的值域。例如，可靠性和负载可在l 和2 5 5 之间取值；带宽值域为 t 2 0 0 b p s 到1 0 吉( 干兆) b p s ；延迟可取值l 到2 4 。宽的值域可以提供满 意的m e t r i c 设置，更重要的是，m e t r i c 各组件以用户定义的算法结合， 因此，网管可以以直观的方式影响路由选择。 为了提供更多的灵活性，i g r p 允许多路径路由。两条等带宽线路可 以利用循环( r o u n d - r o b i n ) 方式支持一条通信流，当一条线路断掉时自 动切换到第二条线路。此外，即使各条路的m e t r i c 不同也可以使用多路 径路由。例如，如果一条路径比另一条好三倍，它将以三倍使用率运行。 只有具有一定范围内的最佳路径m e t r i c 值的路由才用作多路径路由。 i g r p 提供了许多技术以增强其稳定性，包括h e d - d o w n 、s p l i t h o r i z o n 和p q i s o n r e v e r s e 等。用于阻止定期更新信息不适当地发布一 条可能失效的路由信息。s p l i th o r i z o n 则用于保证不把路由信息发回到 其源路由器。p o i s o n - r e v e r s e 用于防止生成较大的路由环路。 i g r p 维护一组计时器和含有时间间隔的变量，包括更新计时器、失 效计时器、保持计时器和清空计时器。更新计时器规定路由更新消息应该 以什么频率发送；失效计时器规定在没有特定路由的路由更新消息时，在t 声明该路由失效前路由器应等待多久：保持时间变量规定了h o l d - d o w n 周 期；清空计时器则规定了路由器清空路由衷之前等待的时间。 山东大学硕士学位论文 i i i i 2 3 ，3o s p f 协议 o s p f 6 是为i p 网络设计的基于最短路优先s p f 算法( 即d i j k s t r a 算法) 的路由协议。o s p f 是内部使用连接状态路由协议，协议通过向同 层结点发送连接状态信息( l s a ) 工作，当路由器接收到这些信息时r 它 就可以根据s p f 算法计算出到每个结点的最短路径了。它的工作方式与我 们熟悉的r i p 和j g r p 协议不同，s p f 只发送当前结点到相邻结点的路由 信息，而r i p 和i g r p 需要结点把自己结点保留的由路表或路由表的一部 分全部到相邻结点，相邻结点根据这些信息更新自己的路由表，显然前者 发送的信息量少，而后者发送的信息量多。 o s p f 的路由信息在一个树状结构内传送，这个树状结构内最大的结 构就是个自治域( a s ) ，它们是使用同一路由策略的组网络。o s p f 是 一个内部路由协议，但是它也能向其它a s 发送路由信息。o s p f 的方法就 是寻找个a s 内的最短路径，它建立在一个基本的假设之上，也就是如 果在每个小范围内路径都最短那整个路径一定最短。一个a s 可以被分为 不同的域，这些不同的域包括同构的网络和与之相关的主机，有多个接口 的路由器可以属于不同的域，这些特殊的路由器称为域边界路由器，它保 存每个域的拓扑结构数据库。拓扑结构数据库内保存了与这个路由器相连 的网络的拓扑结构，同时它也保存了同一域中所有路由器发送来的l s a 信 息，在同一域中的路由器有相同的路由信息，因此它们有相同的拓扑结构 数据库。域是描述拥有相同拓扑结构数据库的路由器的那部分网络，它有 时和a s 相互混用。对于域外的实体而言这个域的拓扑结构对它们来说是 可见的，o s p f 使用将a s 分块的方法减少网络通信量，同时路由方法也分 为两种，一种是用于目的结点和源结点在同一个域内和另一种是用于目的 结点和源结点在不同的域内。 o s p f 主干负责在域之间传送路由信息，它包括所有的边界路由器和 末完全包括在任何单独一个域中的网络结构以及与此网络结构相关的设 备。 当个s p f 路由器启动时，它初始化它的路由信息结构表，然后等待 下层接口，当它确定下层接口可用时，它就使用o s p f 的t f e l i o 协议向相 山东大学硕士学位论天 ! ! ! ! ! ! ! 自l i i ! ! e ! 目, , m e ! e ! 自! ! e ! ! ! s ! ! 自! ! ! ! 邻的路由器发送一个问候包，然后接收这些路由器发回的信息。这个问候 包不但可以帮助路由器在初始工作时了解相邻结构，而且可以在运行中了 解相邻路由器的工作情况，如果相邻的路由器关机了，那就不会从它那里 收到回应信息了。如果网络支持多个路由器，h e l o 协议可以帮助选择一 个主控路由器和一个备份路由器，由主控路由器向整个网络发送l s a 。 如果两个相邻结点路由器的连接状态数据库达到同步，我们就称它们 相邻了，在有主控路由器的网络中，主控路由器有权决定哪些路由器可以 是相邻的，拓扑结构数据库在相邻的路由器之间是同步的，路由信息包的 发送也仅仅在相邻的路由器间进行。每个路由器要定期发出l s a ，如果它 的路由信息发生了改变，那它需要立即通知其它路由器。通过获得相邻路 由器发送的信息，能够很快知道哪些路由器不能工作了，能够对网络拓扑 结构的变化做到快速反应。通过接收到l s a 产生拓扑结构数据库，再经过 s p f 算法可以得到一个最短路树，树的根结点就是当前这个路由器，通过 这个树可以产生路由表。 o s p f 包结构如下，所有的o s p f 包部有一个2 4 位的包头，包头内的 信息如图2 - 5 所示。 1l244228 图2 - 5o s p f 包结构 首先是版本号，它标明了使用的o s p f 版本信息，下一个数据域是数 据类型，它说明了包内的数据是干什么的，可以分以下几种数据类型：数 据库描述：用于描述拓扑结构数据库的内容，在建立相邻路由器时，必须 交换这些信息；连接状态请求：用于从相邻路由器请求获得拓扑结构数据 库内的一些数据，当某个路由器发现自己路由表的某部分已经过期时就要 使用这一请求获得更新过的信息；连接状态更新：用于响应上面所说的连 接状态请求包，也可以从它在同一个连接状态包内提取l s a ：连接状态确 认：用于确认连接状态更新包。 后面的数据域用于表示包长度，这个长度包括包头的长度并以字节表 示：数据域后面是路由器号，它用于标明是哪个路由器发送的此包，路由 】6 ， 山东大学硕士学位论文 ! ! i i 一m i i i i g ! e ! ! g e s = ! 器号后面是域号，它标明包属于的域 议还支持对紧急信息的优先发送功能 段。 2 4 路由器的结构 每个包只能属于一个域。o s p f 协 它为网络管理提供了灵活方便的手 从体系结构上看，路由器可以分为单总线单c p u 结构路由器、单总线 主从c p u 结构路由器、单总线对称式多c p l 结构路由器、多总线多c p u 结 构路由器、共享内存式结构路由器、交叉开关体系结构路由器和基于机群 系统的路由器等多类。 路由器由四个要素组成：输入端口、输出端口、交换开关和路由处理 器。 输入端口是物理链路和输入包的进口处。一个输入端口具有许多功 能。第一个功能是进行数据链路层的解封装。第二个功能是启动在转发表 中查找输入包目的地址从而决定目的端口( 称为路由查找) 的工作，路由 查技可以使用一个微处理器来完成。第三，端口可能需要运行诸如s l i p ( 串行线网际协议) 和p p p ( 点对点协议) 这样的数据链路级协议。旦 路由查找完成，必须用交换开关将包送到其输出端口。 输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮，可以实现复杂的调度 算法以支持优先级等要求。与输入端口相似，输出端口要能支持数据链路 层的封装，以及许多较高层的协议。 交换开关可以使用多种不同的技术来实现。迄今为止使用最多的交换 开关技术是总线、交叉开关和共享存贮器。最简单的开关使用一条总线来 连接所有输入和输出端口，总线开关的缺点是其交换容量受限于总线的容 量以及为共享总线仲裁所带来的额外开销。交叉开关通过开关提供多条数 据通路。在共享存贮器路由器中，进来的包被存贮在共享存贮器中，所交 换的仅是包的指针，这提高了交换容量，但是开关的速度受限于存贮器的 存取速度。 路由处理器计算转发表，实现各种路由协议，并运行对路由器进行配 置和管理的软件。同时，它还处理那些目的地址不在路由表中的包。 1 7 第三章本路由器的系统结构设计 3 1基于i n t e l 3 8 6 的结构框架 本系统采用i c o p 6 0 1 5 作为系统c p l ，i c o p 6 0 1 5 是与i n t e l 3 8 6 完全兼 容的嵌入式p c 。i c o p 6 0 1 5 中配置有以太网口，i s a 总线，以及i d e 接口， 功能较完善，使用方便。 该路由器的设计要求有两个同步口用于连接d d n 网，一个异步p p p 接 口用于连接p s t n 和一个以太网接口用于连接本地以太网。该路由器需要 能通过同步口或者异步接口与远端的c i s c o 路由器互通，将本地局域网的 数据包通过广域网传送到远端。要求有较高的数据报转发速率，并且运行 稳定。 图3 - i 是系统的结构框架图。 e t l lp o r t d d np o r td d n p o r t 图3 - 1 系统结构框图 p p pp o r t 山东大学硕士学住论文 g ! ! ! e ! ! ! ! g ! e ! ! ! ! i i i i i g ! ! 目e ! ! ! ! ! = s g ! ! ! ! ! s ! ! ! ! s 自目! s = ! ! e 3 2路由器各接口的设计和工作原理 3 2 1d d n 接口 ( 一) d d n 的定义和特性 数字数据业务是指为公用电信网内部和用户提供点到点和点到多点 的数字专用电路、虚拟专用网( v p n ) 、及帧中继等业务。 d d n 利用数字通道提供半永久性连接电路，以传输数据信号为主的 数据传输网络，为用户提供数字数据业务。 d d n 也是一种综合业务的数字传输网络，但与i s d n 有较大的区别。 d d n 没有统一的用户接口，并且信令和业务不分离。d d n 有e 1 d l 帧结构， 属于低二层，但用户速率不大于e 1 t 1 ，故表现为全透明，并且e l t l 电 路有t d m 电路实现，只有复用，没有中间软件处理，因此时延小。d d n 的 网络层则定义网络和用户的发送信号过程，如随路信令等。 d d n 的传输质量较高，传输距离远，时延小，无阻塞。 传输方式分为并行和串行两种。在串行方式中有两种同步方法：异 步传输( a s y n c h r o n o u s t r a n s m is sj ( 】n ) 和同步传输( s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o n ) 。本系统使用n e w b r i d g ed t u ，采用同步传输方式。 ( 二) c i s c or o u t e rp r o t o c o l 9 本系统要通过d d n 专线实现与远端c i s c o 路由器的互通，因此需要 遵循c i s c o 的相关协议标准。c i s c o 公司生产的路由器和桥等设备都使用 了一种称为c i s c or o u t e r 的c i s c o 专用协议，来封装传输通过广域网的 数据包。 c i s c or o u t e r 协议在串行同步线路上的封装采用了h d l c 帧格式。 数据包的结构如图3 2 所示。 图3 - 2c is c or o u t e rh e a d e rs t r u c t u r e a d d r e s s ：指明包的发送类型 扣i r d q 山东大学硕士学位论文 o x o fu n i c a s tp a c k e l s o x 8 fb r o a d c a s tp a c k e t s c o n t r o l ：总设为0 。 p r o t o c 0 1c o d e ：指明所封装的数据包的协议类型。 o x 0 8 0 0i p o x 0 8 0 6a r p 。 0 x 8 0 3 5s t a r p o x 8 0 9 b a p p l ee t h e r t a l k o x 8 0 f 3a p p l e t a l ka r p o x 8 1 3 7n o v e li p x i n f o l , m a t i o n ：上层协议的数据包。 ( 三) h d l cp r o t o c o lc o n t r o l1 e l - h d l c 是面向位的链路层控制协议，该协议的帧格式如图3 3 所示。 各个帧之间是利用标志序列( 0 l l 1l l1 0 ) 来分隔的。校验和字段的生成多 项式为q n = 一6 + 一2 + x 5 + l 。发送时利用该多项式按位计算所有的数 据位，然后在数据位末端发出。接收时进行类似的计算，然后可以判定该 数据包是否出现错误。 图3 - 31 1 1 ) l c 协议的帧格式 m t 8 9 5 2 b 是m it e ls e m i c o n d u c t o rc o r p o l , a t i o n 生产的处理面向位的 链路控制协议的专用芯片。该芯片能够按照图3 3 所示的帧格式发送和接 收数据。同时该芯片还能通过插零和去零使h d l c 具有良好的传输透明性， 能传输任何比特代码。并且能够计算和验证f c s ，能够在发送数据和接受 数据时处理标志序列。 2 8 该芯片的功能结构示意图如图3 - 4 所示。 2 0 i 山东大学硕士学位论文 图3 4m t 8 9 5 2 b 功能示意图 该芯片有地址线a o a 3 ，数据线d o 、d 7 ，可以比较方便的与c p u 通过 i s a 总线接口。接口电路的示意图如图3 - 5 所示。 i s a b u s 图3 - 5c p u 与 d t 8 9 5 2 b 的接口电路示意图 2 1 =三甚研 山东大学硕士学位论天 芯片内部的发送和接收各有1 9 b y t e 的f i f o 缓冲区。同时芯片内部有 十组寄存器，包括f i f o 状态寄存器，接收数据寄存器，发送数据寄存器， 控制寄存器，中断标志寄存器，状态寄存器等a 接收数据从c d s t i 串行进x e , 片，取出标志序列，清除插入的比特， 并和校验后，接受的数据被放入接受f l f o 中，这时m t 8 9 5 2 b 可以通过中 断通知c p u 利用数据位d o d 7 来读取数据，也可以设置c p u 通过定时查询， 不停监测接受f i f o 的状态寄存器，根据f i f o 寄存器的状态来接受数据。 c p u 通过d o 、d 7 将发送数据写入芯片内的发送f i f o 中，m t 8 9 5 2 为每 个数据包生成标志序列，完成插零及校验和计算后，数据从c d s t o 串行输 出。 ( 四) d d n 接口所实现的协议和功能 1s l a r p 协议 9 。该协议用于动态的i p 地址分配和线路连接状态 的测试( 1 i n ed o w n 或者l i n eu p ) 2 从上层协议接收i p 数据包，完成i p 数据包的h d l c 帧封装，并 通过 毋l cp r o t o c o lc o n t r o l l e r 发送出去。 3 通过皿l cp r o t o c o lc o n t r o l l e r 接受b g l c 帧，并从中拆分出 i p 数据包，交给上层选路协议处理。 3 2 2p p p 接口 p p p 协议 1 0 ， 2 3 是目前i n t e r n e t 中广泛使用的数据链路层协议。 它提供了基于广域网的网络层数据包封装和向上层提供物理透明性的功 能。 p p p 协议标准与常用的硬件接口兼容，支持任何d t e d c e 接口( 包括 e i a r s 一2 3 2 一c ，e i a r s 一4 2 2 ，e i a r s 一4 2 3 ，与c c i t tv 3 5 ) 。运行p p p 协 议只需提供全双工的电路( 专用或者电路交换) ，以承载双向的传输信息 即可。p p p 对传输速率没有限制，能适合各种远程接入。 本系统使用了c p u 的r s - 2 3 2 一c 接口，利用一嵌入式调制解调器通过 p s t n 与远端的路由器相连。 p p p 协议由以下三部分组成。 ( 一) 串行链路上数据包的封装 露 1 山东大学硕士学位论叉 p p p 使用h d l c 协议的原理，术语和帧结构，允许在同步及异步环境 下运行。并且提供了在同一数据链路层上传输不同网络层数据单元( 包括 i p ，i p x ，a p p l e t a l k 等) 。因此比较容易连接各种主机、路由器和远程接 入设备。 标准p p p 的帧格式如图3 - 6 所示。 图3 - 6p p p 的帧格式 f l a g ：标志序列( o x 7 c ) ，是帧的定界标志，用于识别单个p p p 帧。 a d d r e s s ：地址域( o x f f ) ，指示所有的站均可以接受该帧，使用固 定地址，避免了数据链路层地址的分配问题。 p r o t o c o l ：协议域，表明封装在p p p 帧中的信息所使用的协议。其 具体值由r f c i 6 6 1 指定。 i n f o r m a t i o n ：为网络层的协议数据单元，缺省的最大长度为1 5 0 0 字 节。 p a d d i n g ：为填充域，可以填充任意字节的数据，直到最大长度。 f c s ：为1 6b i t 的c r c 校验和。 p p p 协议使用了c o n t r o le s c a p e 字符来解决控制字符及标志字符出 现在信息域中的问题。 ( 二) 用于建立，测试，配置数据链路层连接的链路控制协议( l c p ) l c p 协议用于链路层连接的建立，这种连接建立的过程是通过交换 分 组实现的。l c p 定义了三类分组。 链路配置分组。用于建立和配置p p p 链路，确定与该链路相关的 参数。这些分组包括c o n f i g u r e r e q ，c o n f i g u r e a c k ，c o n f i g u r e n a k ， c o n f i g u r e r e j e c t 。 链路维护分组。用于管理和调试p p p 链路。这些分组包括 c o d e f e j e c t ，p r o t o c o l r e j e c t te c h o r e q 。e c h o r e p j y ，d j s c a r d - r e q 山东大学硕士学位论又 等。 链路终止分组。用于终止p p p 链路。这些分组有 t e r m i n a t e - r e q u e s t ，t e r m i n a l e a c k 。 p p p 通过l c p 可以协商链路层的多个选项，如最大接受单元长度， 协议域压缩，地址和控制域压缩等。 ( 三) 用于建立、配置网络层协议的网络控制