基于ATM的ADSL網關的研究與實現

圖3：ADSL網關的協議棧

在圖3中，AAL5是ATM適配層，RFC1483是ATM適配層第五類型的多協議封裝規范，描述了在ATM端系統中怎樣在主機、橋設備和路由設備之間承載多協議業務。在ADSL網關中，根據ITU的協議規范，信號經過一系列變換以ATM信元的形式輸出，因此我們要在ATM適配層的基礎上將信號變成上層協議能夠識別的包，從而決定該包是否轉發，丟棄或者接收。根據RFC1483協議，有兩種多協議封裝的形式，一種是LLC封裝多協議，即LLC-SNAP模式，在同一個VC上承載多協議，協議類型包含在LLC頭中，另一種是VC-MUX模式，不同的協議使用不同的VC,則不需要在協議頭中指明協議類型，而具體哪一個VC承載哪一種協議則是在鏈路初始化的時候確定，這種方法降低了鏈路開銷，但在虛擬連接數量有限的情況下多數還是使用LLC復用。實現這個功能是通過在Linux內核中加載PPPOA模塊來實現的。

PPP包中包括三種類型的信息：

* Link Control Protocol(LCP) 用來協商鏈路參數，包的大小，以及認證類型

* Network Control Protocol(NCP) 指明高層協議的信息，可以是IP、IPX及其控制協議。

* 數據幀

　　ADSL遵循的協議是基于ATM的，也就是在物理層是在電話線上調制高速數據信號，RS編碼，擾碼等一些物理層的協議，在物理層以上是以ATM信元格式輸出的，而對于ADSL網關來說，PPP over ATM Adaption Layer 5(AAL5) RFC2364是用AAL5作為成幀協議，支持PVC,SVC, PPPOA是ADSL協議棧的基本部分，它依賴于RFC1483，工作在LLC-SNAP或VC-MUX模式下，用戶端設備(CPE)封裝PPP包的過程就是以PPPOA協議來進行ADSL環路和DSLAM上傳輸數據的。AAL5的公共部分匯集子層（CPCS）的協議數據單元如圖4所示：

　　其中CPCS-PDU Payload部分是AAL5協議的數據部分，最大為216-1個字節，這是因為在下面的二字節的LENGTH域中限定的。PAD中有48個字節，剛好為一個信元的數據域，由SAR(分段重組)子層生成，CPI域是為了使CPCS-PDU TRAILER成64位而填補上去的，CRC采用32位的循環冗余校驗碼。

　　在我們的ADSL網關設計中，考慮到有限的虛擬連接的數量，我們采用的是LLC封裝多協議的模式，即LLC-SNAP模式，其CPCS-PDU Payload域如圖4所示。包括：

* LLC頭：3字節，其中兩個字節指定了一個目的SAP(0xFE)和源SAP(0xFE)，后面是幀類型，為Un-numbered Information=0x03

* Network Layer protocol Identifier(NLPID)，這里使用的是PPP，其類型值為0xCF

* PPP協議標識域為一和二字節

* PPP信息域

* PPP填充域

　　對于局域網內的用戶通過以太網口和Wireless LAN的天線與網關互聯，其中以太網和Wireless LAN使用不同的網段，網關要做的事情是看用戶的IP包，如果是發往本局域網的，那要看是不是同一個網段的，如果是則丟棄，如果不是則發向另一網段，也就是說在本地的包業務通信中，起了一個橋接的作用。如果不是發向本局域網，而是發向廣域網的包則通過PPP端口轉發，實現其路由功能。以太網的驅動程序和WLAN驅動程序在Linux中也是作為一個可載入模塊加載到Linux內核中。

　　為了實現應用網關功能，在應用層我們還根據實際需要實現了基于IP地址過濾的防火墻，網絡地址解析，簡單網絡管理，動態主機地址分配，和WEB服務器，

　　重新編譯內核時去掉對硬盤，鼠標，顯卡，鍵盤的支持，只保留一個簡單的文件系統，并放在Flash上，這樣可以在線升級網關操作系統。內核的核心主要是進行內存管理，啟動和中斷。將PPPOA模塊、以太網以及WLAN驅動模塊編譯進內核，內核程序與網絡設備接口間采用消息驅動方式，三個模塊對應三個消息隊列和三個通信例程，每個例程負責監聽相應端口的數據（對應一個消息隊列），當接受到消息時，使進程轉入處理程序，進行內存刷新、加工數據幀頭、發送消息等工作，消息隊列如果沒有消息存在，該進程就釋放CPU給其它進程。由于一些寄存器（DCR，SPR等）的值和外設的I/O空間要映射到物理內存空間，所以要在TLB中鎖定這些內存，在為三個PCI設備進行內存分配時，要判斷分配的內存空間是否與鎖定的內存空間重疊。另外我們在硬件設計上使用了串口(RS-232)作為調試接口，可以在shell中測試系統命令，運行應用程序，或用GDB對應用程序進行調試，另外shell還用于對系統進行配置。配置包括配置全局參數對網關的命令行接口，需要配置撥號PPP over ATM端口、以太網和WLAN端口。在配置前需要確認ADSL線路與DSLAM連接，要有一個靜態IP地址或者由ISP負責動態IP地址分配。網關在啟動時，BIOS上電自檢，加載文件系統，引導網關操作系統，ADSL線路進行握手操作，初始化鏈路，進入SHOWTIME。

三、 進一步的工作及展望

　　ADSL網關集ADSL modem 和應用網關于一體，既完成ADSL接入的模擬的調制解調工作，又在此基礎上實現了資源共享，簡單網絡管理以及網絡安全方面的功能等，是一種有著廣泛應用前景的技術