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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于USB CDC的虚拟以太网接口研究与设计 姓名：樊荣 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：韩涛 20070207 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 本文分析了 USB 通讯设备类（CDC）协议的机制与流程，着重讨论了 CDC 协 议中的以太网控制模型（ECM）与以太网仿真模型（EEM）的框架与接口。在此基 础上实现了 USB 虚拟以太网接口，并讨论了 USB 虚拟以太网接口在智能手机平台 上的应用，为实现有线个人局域网（PAN）提供了一种有效而简便的途径。最后对 USB虚拟以太网接口与物理以太网接口的性能进行了测试与比较， 并指出了 USB虚
2、 拟以太网接口相对物理以太网接口的优势。 第一章介绍了本论文的课题背景及研究意义。 第二章在理解 USB体系结构的基础上， 分析了 USB CDC 协议， 并着重研究 CDC 协议用于实现以太网接口的以太网控制模型（ECM）与以太网仿真模型（EEM） 。 第三章研究了 PXA27x芯片的 USB接口模块与操作系统 Linux2.6 的系统结构和 内核驱动开发过程，编写调试 PXA27x芯片下的 USB CDC 驱动程序，在 Linux已经 支持 ECM的基础上，添加 EEM 模块来提高 USB虚拟以太网接口的性能，完成基于 CDC 的虚拟以太网接口程序设计。 第四章具体论述了主机如何通过 US
3、B 虚拟以太网接口访问智能手机上的代理服 务器来实现代理上网，分析了 USB虚拟以太网接口实现 PAN 的应用前景。 第五章对比、 分析了 USB虚拟以太网接口与物理以太网接口的性能， 指出了 USB 虚拟以太网接口的应用范围。 关键词：通用串行总线，通讯设备类，以太网控制模型，以太网仿真模型，个人局 域网 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract The key mechanisms and procedure of USB Communication Devices Class (CDC) Specification are analyzed in this thesis, and
4、 the framework and interface of Ethernet Networking Control Model (ECM) and Ethernet Emulation Model (EEM) in CDC are focused on yet. Based on the ECM and EEM of CDC, the virtual Ethernet network interface of USB can be applied to smart phone project, so it is the easy way to PAN (Personal Area Netw
5、ork). Comparing with physical Ethernet network interface, the characters of virtual Ethernet network interface are pointed too. With testing their performances，the important features on the Specification of USB CDC for the future research strategies and trends are given. The chapter one is preface.
6、In the chapter a concise introduction is made to the background of this thesis. In the chapter 2, USB CDC Specification including ECM CDC;ECM;EEM;PAN 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位
7、论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 引言 电子信息设备体积越来越小，价格也越来越低，
8、已经广泛成为人们获取信息和 连接应用的重要工具，这些设备包括笔记本电脑、移动电话、PDA、手掌游戏机、 MP3/4、Pocket PC、数码相机等等。人们所携带的电子信息设备越来越多，这些电 子信息设备不仅功能越来越强大，而且功耗却越来越小。但是各种设备之间的独立 工作已经无法满足人们的应用需求，所以设备之间的互联互通将会成为发展的趋势。 因此，在小范围内能够将个人的电子信息设备互联而组成的网络个人局域网 （Personal Area Network)便应运而生1。这些设备往往都将USB作为其标准的外部接 口，USB虚拟以太网接口可以在USB物理媒介上无缝运行已有的网络上层协议(如 TCP/I
9、P)，USB虚拟以太网接口也就成为实现有线PAN的一种有效而简便的方法。 1.2 课题背景与意义 USB（通用串行总线）是一种用于外部设备与计算机连接的标准连接，这种通用 串行接口具有速度快、即插即拔、易扩展、可使用总线供电、使用灵活等优点，受 到了广泛欢迎。尤其值得一提的是，USB 作为一种标准的串行接口不仅出现在目前 几乎所有的 PC 系统中，而且在嵌入式系统尤其是在移动设备中应用也越来越广泛， 在各种手机，数码相机，MP3/4，PSP 等，USB接口几乎成为唯一的外部接口。信息 产业部正式公布的“移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”通信行业 标准明确了手机接口方面将参照 USB
10、 的接口规范2，目前市场上的 USB 手机还不 多见，未来两三年伴随着 3G 市场的大规模启动，相信 USB手机会渐成主流。同时， 基于以太网的 IP 网络协议，已经成为 PC 与 PC 间网络数据交换的基石。 随着嵌入式 设备性能不断提高，嵌入式应用的不断扩展深入，嵌入式设备间与嵌入式设备和 PC 间以网络协议 IP 为途径进行数据交互有着迫切的需要，但是普通以太网接口往往需 华中科技大学硕士学位论文 2 要单独的以太网控制器与外围接口，增加以太网接口必然使系统成本的增加与产品 尺寸扩大。如何使用 USB接口来虚拟以太网接口不仅具有研究意义，也有广泛的现 实需求。 一种基于USB 通讯设备类
11、协议CDC （Communication Devices Class Specification） 的技术就可以将 USB 虚拟成不同的通讯设备接口，其中的以太网控制模型 ECM(Ethernet Networking Control Model)与以太网仿真模型 EEM （Ethernet Emulation Model）可以将其虚拟为一个标准的以太网接口34。自从 USB CDC 规格发布以来， 国外的软硬件公司都使用 USB CDC 在 USB上实现一些通讯接口的功能，如串口， ISDN，ATM，以太网等。Microsoft 在 WINXP 版本上内置了基于 CDC 的 RNDIS 驱
12、动，使得在 WINXP 下可以无缝的连接基于 RNDIS 的 USB 以太网接口设备。Linux 在 2.6 以后的版本就缺省支持基于 CDC 的以太网接口（usbnet）与串口。在 Linux 内核中，usbnet模块用于创建 USB虚拟以太网设接口。创建成功后，这一虚拟网络 接口便可以如同标准网络接口一样被指定一个 IP 地址。USB 电缆连接上后，usbnet 模块便能使 USB虚拟的以太网接口 ping 测其它 IP 地址， 甚至 “谈论” DHCP， HTTP， NFS， telnet， 和 ftp5。简言之，任何在实际的以太网接口上运行的应用将不折不 扣地在 USB虚拟以太网接口上
13、得到实现，因为它们不能分辨出其正在使用的是真实 的以太网硬件接口还是 USB虚拟的以太网接口。 1.3 本文工作的目标和内容 本文在理解 USB体系结构并深入研究 USB CDC 协议的基础上，在 PXA27x的 智能手机平台上设计实现了 USB 虚拟以太网接口，通过该接口，智能手机就可以 USB 线缆为物理媒介，而以以太网的 IP 网路协议来与主机相连，从而达到在此连接之 上主机与智能手机以各种网络协议（DHCP， HTTP， NFS， telnet，ftp）进行通讯的 预期目的。 本文首先分析 USB CDC 协议，着重研究 CDC 协议用于实现以太网接口的以太 网控制模型（ECM）与以太
14、网仿真模型（EEM） ，然后在深入理解 USB CDC 协议的 华中科技大学硕士学位论文 3 基础上，基于 PXA27x的 USB设备控制器，进行了 USB CDC 模块的驱动分析与开 发，编写调试相应的驱动程序，完成基于 CDC 的虚拟以太网接口程序设计。最后给 出了在智能手机平台上，USB 虚拟以太网接口的应用，论证了 USB 虚拟以太网接 口为有线 PAN 的实现提供了有效而简便的途径。 华中科技大学硕士学位论文 4 2 USB 和 USB CDC 协议 2.1 通用串行总线 USB(Universal Serial Bus) 2.1.1 USB 简介 USB是英文 Universal
15、Serial Bus 的缩写，中文含义是“通用串行总线” 。它是一 种应用在 PC 领域的新型接口技术。USB 协议最初是由 Intel, Microsoft， IBM 及 Compaq 等公司于 1994 年共同定的微机总线接口规范。近年来 USB协议迅速发展， 从1998年支持全速传输(12M/秒)的USB1.0协议， 到传输速度可达480M/秒的USB2.0 协议67，到 2003 年发布的 OTG 协议 1.0 版本。 这几年，随着大量支持 USB的个人电脑的普及，USB逐步成为 PC 机的标准接 口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的 PC 机几乎 100%支持 USB；
16、而在外 设(device)端，使用 USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、手机、扫描仪、游 戏杆、移动硬盘、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。 USB设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： 1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机，打开机箱， 插入 PCI 卡再开机”这样的动作，而是直接在 PC 开机时，就可以将 USB电缆插上 使用。 2、携带方便。USB 设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样 40G 的硬盘，USB硬盘比 IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然 USB硬盘会是首要之选了。 3、标准统一。常见的是 IDE 接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描 仪，可是有了 USB 之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与 PC 连接，这时就 有了 USB硬盘、USB鼠标、USB 打印机，等等。 4、可以连接多个设备。USB在 PC 上往往具有多个接口，可以同时连接几个设 备， 华中科技大学硕士学位论文
