DSCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀IP數(shù)據(jù)采集卡的研制

1、第 18 卷第 4 期重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)Vol. 18No. 42006 年 8 月Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications( Natural Science)Aug. 2006文章編號(hào): 1004- 5694( 2006) 04- 0448- 03TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀 IP 數(shù)據(jù)采集卡的研制劉偉, 張治中( 重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)*摘要: 為順應(yīng) 3G 網(wǎng) 絡(luò) IP 化的趨勢(shì), 根據(jù) T D- SCD M A 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 中 IP 數(shù)據(jù) 包傳輸

2、相關(guān)描 述, 研 制了 T D- SCDM A網(wǎng)絡(luò) 測(cè)試儀 IP 數(shù)據(jù)采集卡, 利用網(wǎng)卡加 WinPcap 驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn) I P 數(shù)據(jù)包采集, 為上層協(xié)議 分析提供 有效消息。在 Realt ek8139 網(wǎng)卡上的測(cè)試表明, 該設(shè)計(jì)能可靠地完成 I P 數(shù)據(jù)包的采集, 完全可以應(yīng)用于當(dāng)前 T D- SCDM A 網(wǎng) 絡(luò)測(cè)試。關(guān)鍵詞: T D- SCDM A ; 測(cè)試儀; 數(shù)據(jù)采集卡; PCI 總線; WinP cap中圖分類號(hào): T N915. 06文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A0引言它和分組域一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù),并可以實(shí)現(xiàn)與電路域的互操作 5 。近年來 T D- SCDMA 一直是通信行業(yè)

3、關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn), 回顧 T D- SCDM A 的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展、技術(shù)試驗(yàn)、政府引導(dǎo)等, 明顯看出我國(guó)對(duì) T D- SCDM AIP 數(shù)據(jù)采集在 T D- SCDMA 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀中是非常重要的一部分。本文描述的是純 IP 數(shù)據(jù)包的采集實(shí)現(xiàn)( 非 IP over A T M 部分) 。的關(guān)注達(dá)到了一個(gè)新的高度。為了進(jìn)一步支持 T D-SCDM A 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展, 國(guó)家 對(duì)當(dāng)前 T D- SCDM A 產(chǎn)1IP 數(shù)據(jù)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)業(yè)發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)給予了支持 1 。針對(duì)我國(guó)正大力開發(fā) T D- SCDM A 第三代移動(dòng)通信( 3G) 系統(tǒng)、即將大規(guī)模組建 3G 網(wǎng)絡(luò), 卻沒有所必需的實(shí)驗(yàn)研發(fā)、建網(wǎng)

4、和運(yùn)行測(cè)試設(shè)備的現(xiàn)狀, 在國(guó)際上傳統(tǒng)通信測(cè)試儀表廠商只推出了基于 CDMA2000 和 WCDM A 2種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀表的情況下, 研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 T D- SCDMA 移 動(dòng)通 信 網(wǎng) 絡(luò) 測(cè) 試儀, 完 善T D- SCDMA 產(chǎn)業(yè)鏈, 形成系列產(chǎn)品并推向市場(chǎng), 必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該測(cè)試儀主要測(cè)試的接口包括 Iub, Iur, IuCS, IuP S, Nc, N b, C/ D/E/ G/ Gr/ MSCS- SCP, Gn/ Gp, Gi 等 2- 4 , 主 要 實(shí) 現(xiàn)協(xié)議分析( 解碼) 、呼叫跟蹤、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)及分析、網(wǎng)絡(luò)異常分析、網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化、協(xié)議仿真等功

5、能, 采用工控機(jī)結(jié)構(gòu), 多鏈路、多通道的硬件由多個(gè)基于 P CI總線的數(shù)據(jù)采集卡( 規(guī)程板) 組成。IP 數(shù)據(jù) 采集卡是其中的一個(gè) P CI 數(shù)據(jù)采集卡。T D- SCDMA 網(wǎng)絡(luò)從 R99 演進(jìn)到 R4 版本, 逐步改進(jìn)。T D- SCDM A 的下一步發(fā)展趨勢(shì) 是向 R5 版本演進(jìn), R5 版本是全 IP 化的版本, Iu, Iur 和 Iub 接口增加了基于 IP 的可選傳輸方式, 使得無線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了 IP 化; 在核心網(wǎng)方面, 最大的變化是 在 R4的基礎(chǔ)上增加了 IP 多媒體子系統(tǒng)( 即 IM S 系統(tǒng)) ,從 3GPP 和 T CP / IP 相 關(guān)協(xié)議 2- 5 可 以看 出,

6、T D- SCDM A 網(wǎng)絡(luò)中的 IP 數(shù)據(jù)與通常的 IP 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)規(guī)范相同而且更簡(jiǎn)單, 完全可以直接通過網(wǎng)卡捕獲完成數(shù)據(jù)采集, 我們需要做的只是取出網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)供上層分析軟件作信令分析。IP 數(shù)據(jù)采集卡的工作流程 大致為: 由 T D- SCDM A 網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)接口傳輸過來的以太網(wǎng)幀到達(dá)網(wǎng)卡 網(wǎng)卡內(nèi)的單片程序接收幀的目的 M AC 地址, 根據(jù)計(jì)算機(jī)上的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置的接收模式判斷該不該接收, 認(rèn)為該接收后就產(chǎn)生中斷信號(hào)通知 CPU CPU 得到中斷信號(hào)產(chǎn)生中斷, 操作系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置的網(wǎng)卡中斷程序地址調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序接收數(shù)據(jù)放入堆棧 應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。我們選擇了 Real

7、t ek RT L 8139C 芯片的 10M/100M 自適 應(yīng)網(wǎng) 卡來 處 理 以太 網(wǎng) 幀, 該 網(wǎng) 卡遵 循P CI2. 2 總線規(guī)范, 支持 IEEE 802. 3u 100Base- T 和IEEE 802. 3x 全雙工流控制, 它內(nèi)建了符合 M II 規(guī)格的收發(fā)器( T ranceiver) , 可以使用 DM A 直接使用位于內(nèi)存的緩沖區(qū)來保存網(wǎng)絡(luò)上接收的數(shù)據(jù)包。為完成對(duì)數(shù)據(jù)包的捕獲, 需要對(duì)網(wǎng)卡的工作模式進(jìn)行設(shè)置。*收稿日期: 2005- 09- 07修訂日期: 2006- 06- 03基金 項(xiàng) 目: 國(guó) 家 高 技 術(shù) 研 究 發(fā) 展 計(jì) 劃 ( 863 重 大 專 項(xiàng)

8、) ( 2005A A 123780 ) ; 科 技 部 中 小 企 業(yè) 創(chuàng) 新 基 金( 05c26215111405) ; 科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金( No . 05C26215111405) ; 重慶 市科委科技 攻關(guān)項(xiàng)目 ( CST C, 2005AC2040) 和重 慶市經(jīng)委指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目( N o. 05- 1G X- DZ180) 。作者簡(jiǎn)介: 劉偉( 1978- ) , 男, 重慶人, 碩士 研究生, 研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)測(cè)試, E- mail: L_30 so hu. co m; 張 治中, 教授, 主 要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)測(cè)試, 光交換和寬帶信息網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)等。aaaaaa第 4 期

9、劉偉, 等: T D- SCDM A 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀 I P 數(shù)據(jù)采集卡的研制44922. 1IP 數(shù)據(jù)采集卡的軟件調(diào)試混雜模式- 1。代碼如下( 去掉錯(cuò)誤檢測(cè)等代碼, 下同) :pcap_if_t * alldev s;pcap_if_t * d;正常情況下, 網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)該只響應(yīng)這樣的 2 種數(shù)據(jù)幀: 與自己硬件地址相匹配的數(shù)據(jù)幀和發(fā)向所有機(jī)器的廣播數(shù)據(jù)幀。而對(duì)于網(wǎng)卡來說一般有以下4 種接收模式: 廣播模式: 該模式下的網(wǎng)卡能夠接收網(wǎng)絡(luò)中的廣播信息; 組播模式: 設(shè)置在該模式下的網(wǎng)卡能夠接收組播數(shù)據(jù); 直接模式: 在這種模式下, 只有目的網(wǎng)卡才能接收該數(shù)據(jù); 混雜模式: 在這種模式下的網(wǎng)卡能夠接

10、收一切通過它的數(shù)據(jù), 而不管該數(shù)據(jù)是否是傳給它的。所以我們把網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式, 它就能接收傳輸在網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)信息包。2. 2 Winpcap以太網(wǎng)介質(zhì)接入控制( medium access contr ol,MAC) 子層及其以下層協(xié)議由硬件實(shí)現(xiàn), 邏輯鏈路控制( log ical link cont ro l, L L C) 子層及其上層協(xié)議均由軟件實(shí)現(xiàn)。Window s 操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序遵守網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備接 口規(guī)范 ( netw o rk deviceint erface specif ication, NDIS) , 它在分層的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序框架中規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口, 從而使

11、抽象低層次的硬件提供了高層次網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)管理。我們采用的 w inpcap( w indow s packet capt ure) 也是用的NDIS, 將自己注冊(cè)為一個(gè)協(xié)議處理驅(qū)動(dòng)。Winpcap 是 w indow s 平臺(tái)下一個(gè)免費(fèi)、公共的網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng) 7 。開發(fā) w inpcap 項(xiàng)目的目的在于為w in32 應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)底層的能力。它提供了以下各項(xiàng)功能: 捕獲原始數(shù)據(jù)報(bào), 包括在共享網(wǎng)絡(luò)上各主機(jī)發(fā)送/ 接收的以及相互之間交換的數(shù)據(jù)報(bào); 在數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往應(yīng)用程序之前, 按照自定義的規(guī)則將某些特殊的數(shù)據(jù)報(bào)過濾掉; 在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送原始的數(shù)據(jù)報(bào); 收集網(wǎng)絡(luò)通信過程中的統(tǒng)計(jì)信息。Winpcap

12、 的主要功能是獨(dú)立于主機(jī)協(xié)議而發(fā)送和接收原始數(shù)據(jù)報(bào)。我們主要用到 w inpcap 的捕獲功能, 通過對(duì) w inpcap 驅(qū)動(dòng)和 w insock 的利用 8 , 很多編程變得簡(jiǎn)單, 下面簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)包的捕獲過程。char er rbuf PCA P_ERRBU F _SIZ E ;pcap_findalldevs( & alldev s, err buf) ; / / 獲得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 指針fo r( d= alldevs; d; d= d- nex t) d- name; / / d- name 就是 我們 需 要的 網(wǎng)卡 名 字字符串pcap_freealldev s( alldevs)

13、; / / 釋放 alldev 資源事實(shí)上, w inpap 也提供另外的高級(jí)信息。特別是 pcap_f indalldevs( ) 函數(shù)返回的每個(gè) pcap_if 結(jié)構(gòu)體都同樣包含一個(gè) pcap_addr 結(jié)構(gòu)的列表, 它包含: 一個(gè)地址列表, 一個(gè)掩碼列表, 一個(gè)廣播地址列表和一個(gè)目的地址列表。在此不再詳述。2. 2. 2 打開相 應(yīng)網(wǎng)卡并設(shè)置為混雜模式打開網(wǎng)卡的功能是通過 pcap_open_live( ) 來實(shí)現(xiàn)的, 下面是 pcap_open_live 的函數(shù)聲明:pcap_t* pcap_o pen_live ( char * device, int sna-plen, int p

14、r omisc, int t o_ms, char * ebuf)Device 就是前面我們獲得的網(wǎng)卡的名字。它有 3 個(gè)參數(shù) snaplen, pro misc, t o_m s。snaplen 用于指定所捕獲包的特定部分, 這樣在某些場(chǎng)合就可以減少拷貝數(shù)據(jù)的數(shù)量從而提高包捕獲的效率。pro misc 指明網(wǎng)卡 處于混雜模 式, 此 時(shí)網(wǎng)卡可以捕獲到發(fā)往其它主機(jī)的數(shù)據(jù)包。我們正需要此功能。to _ms 參數(shù)指定讀數(shù)據(jù)的超時(shí)控制, 超時(shí)以m s 計(jì)算。當(dāng)在超時(shí)時(shí)間內(nèi)網(wǎng)卡上沒有數(shù)據(jù)到來時(shí),對(duì)網(wǎng)卡的讀操作將返回。如果該參數(shù)為 0 那么意味著沒有超時(shí)控制, 對(duì)網(wǎng)卡的讀操作在沒有數(shù)據(jù)到來時(shí)將永遠(yuǎn)堵塞。

15、如果為- 1 那么對(duì)網(wǎng)卡的讀操作將立即返回, 不管有沒有數(shù)據(jù)可讀。代碼如下:pcap_t * adhandle;char er rbuf PCA P_ERRBU F _SIZ E ;adhandle = pcap_open_live( d- name, / / 網(wǎng)卡名稱65535, / / 捕獲包的大小2. 2. 1獲得網(wǎng)卡列表1, / / 混雜模式安裝了 winpcap 驅(qū)動(dòng)之后, 其中的 pcap. h 提供了 pcap_f indalldevs ( ) 函數(shù)來 實(shí)現(xiàn)獲 得網(wǎng) 卡列 表( 主要是獲得網(wǎng)卡的名稱) , 該 AP I 返回一個(gè) pcap_if結(jié)構(gòu)的鏈表, 表的每項(xiàng)內(nèi)容含有全面的

16、網(wǎng)卡信息: 字段名字、含有名字的描述、有關(guān)驅(qū)動(dòng)器的易讀信息。它定義為* *參數(shù) alldevsp 是 pcap_if _t 結(jié)構(gòu)體的指針, 如果函數(shù) pcap_f indalldevs 函數(shù)執(zhí)行成功, 將獲得一個(gè)可用網(wǎng)卡的列表, 里面存儲(chǔ)的就是第一個(gè)元素的指針;Errbuf 存儲(chǔ)錯(cuò)誤信息的字符串。返回值 int : 如果返回 0 則執(zhí)行成功, 錯(cuò)誤返回1000, / / 讀超 時(shí)為 1 秒er rbuf) ; / / er ro r buffer2. 2. 3 捕獲數(shù) 據(jù)包并保存為文件pcap_dump( ) 實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)包內(nèi)容依次寫入 pcap_dump_open( ) 指定的文件中, 函數(shù)聲

17、明如下:v oid pcap_dump ( u_cha r* user , const str uct pcap_pk-*參數(shù) co nst u_char * sp 即數(shù)據(jù)包內(nèi)容指針 。代碼如下:dumpfile = pcap_dum p_open( adhandle, arg v) ; / / 打 開文件/ * 以下代碼循環(huán)捕獲數(shù)據(jù)并調(diào)用 packet_handler 函數(shù)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到堆文件* /alldev sp, char* er rbuf)int pcap_findalldev s ( pcap_if_th, co nst u_char* sp)thdr450重 慶 郵 電 學(xué) 院 學(xué)

18、 報(bào)( 自然科學(xué)版)第 18 卷pcap _ loo p ( adhandle, 0, packet _ handler, ( unsig nedchar * ) dumpfile) ;void packet _ handler ( u _ char * dumpfile, const str uct有運(yùn)行穩(wěn)定高效、代碼簡(jiǎn)單、同時(shí)方便改進(jìn)等特點(diǎn)。參考文獻(xiàn):pcap_pkthdr* header , const u_cha r* pkt_data) pcap_dump( dumpfile, header , pkt_data) ; 1王炎. T D- SCDMA 系 統(tǒng)測(cè)試 情況分 析 EB/O

19、L . 2005- 08- 04 . ht t p: / / w w w. ct t l. com.3設(shè)計(jì)結(jié)果 2cn.3GP P T S 23. 002 V5. 12. 0. Netw o rk arch-i數(shù)據(jù)包保存下來之后就可以讀取出來供應(yīng)用軟件分析。為驗(yàn)證捕獲效果, 我們通過接收另一個(gè)機(jī)器的已知數(shù)據(jù) IP 包然后用該軟件抓包, 再用 pcap_t ect ure EB/ OL . ( 2003- 09- 20) 2006- 05-30 . ht tp: / / ww w . 3g pp. o rg/ f t p/ Specs/2004- 09/ Rel- 5/ 23_series/ 2

20、3002- 5c0. zip.open_of f line( ) 打開一個(gè)堆文件, 用 pcap _loop( ) 來循環(huán)從文件中讀取數(shù)據(jù), 并打印了其中每個(gè)包的內(nèi)容, 證實(shí)了我們的設(shè)計(jì)。在文中我們采用的所有代碼在 VC 編譯環(huán)境下用 C+ + 語(yǔ)言 實(shí)現(xiàn) 9 , 可以打 印出捕獲 的數(shù)據(jù)包。至此, 整個(gè)數(shù)據(jù)采集完成并得到驗(yàn)證。該方案通過初步實(shí)踐確認(rèn)在 T D- SCDMA 網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)初期數(shù)據(jù)量不太大的情況下完全能實(shí)現(xiàn) IP 數(shù)據(jù)包的采集。如果在一個(gè)繁忙的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行截獲則需要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行必要的性能優(yōu)化以避免丟失數(shù)據(jù)包, 可以采用多線程的方法來解決: 程序中使用 3 個(gè)線程進(jìn)行操 3 4 53G

21、PP T S 25. 401 V5. 9. 0. UT RAN o veralldescript ion EB/ OL . ( 2003- 09- 20) 2006-05- 30 . ht t p: / / w ww . 3gpp. o rg/ f t p/ Specs/2004- 09/ Re-l 5/ 25_series/ 25401- 590. zip.3GPP T S 23. 060 V5. 9. 0. General PacketRadio Serv ice ( GPRS) ; Service descript ion;St age 2 EB/ OL . ( 2003- 09- 20

22、) 2006- 05-30 . ht t p: / / w ww . 3gpp. o rg/ f t p/ Specs/2004- 09/ Re-l 5/ 23_series/ 23060- 590. zip.3GPP T S 29. 060 V5. 11. 0. General PacketRadio Service ( GPRS ) ; GPRS T unnelling作:只進(jìn)行捕獲操作, 它將驅(qū)動(dòng)程序獲得的數(shù)據(jù)Prot o col ( GT P ) across t he Gn and Gp int er-包添加到數(shù)據(jù)包隊(duì)列的頭部;只進(jìn)行過濾操作,f ace EB/ OL . ( 200

23、3- 09- 20) 2006- 05- 30 .它檢查新到的隊(duì)尾的數(shù)據(jù)包, 檢查其是否滿足過濾ht t p: / / w w w . 3g pp. or g/ f t p/ Specs/ 2004- 09/條件, 如果不滿足則將其刪除出隊(duì)列;包處理操作。進(jìn)行數(shù)據(jù) 6Re-l 5/ 29_series/ 29060- 5b0. zip.李小文, 李貴 勇, 陳賢 亮, 等. T D- SCDM A 第如果有要求更高的應(yīng)用, 就不得不采用一些專用芯片如網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行處理, 對(duì)此我們將進(jìn)一步三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn) M . 北京:人民郵電出版社, 2003.完善設(shè)計(jì)。 7T he W inPc

24、ap T eam . T he WinP cap manual4結(jié)束語(yǔ)and t ut o rial EB/ OL . 2006- 05- 30 . ht t p: / /ww w . w inpcap. o rg .在當(dāng)前 3G 尚未 商用的前提下, 我們通 過多次模擬實(shí)驗(yàn)證明, 利用該 IP 數(shù)據(jù)采集卡, 通過 100 M網(wǎng)卡讀入由 T D- SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)接口傳輸過來的 IP 數(shù)據(jù)包, 利用 w inpcap 驅(qū)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)換成可以識(shí)別的數(shù)據(jù)供上層分析是能夠滿足 T D-SCDM A 網(wǎng)絡(luò) 測(cè)試要 求的。 事實(shí)上, 采用 w inpcap 8 9ANT H ONY J. Jim Ohlund. M icrosof t Win-dow s 網(wǎng)絡(luò)編程 M . 2 版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.DAVID J. Kruglinski. Visual C+ + 技術(shù)內(nèi)幕 M . 4 版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999.( 責(zé)任編輯: 劉勇)驅(qū)動(dòng)方案對(duì)網(wǎng)卡的型號(hào)并無嚴(yán)格要求, 該采集卡具On design and implementation of IP card for TD- SCDMA network analyzer