| 1 引言 USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，正在成为各种新型设备的标准总线，USB的传输速度已由USB1.0的12Mbps提高到了USB2.0的480Mbps，同时USB设备具有即插即用的特点，所以它越来越受到业界的重视。 基于PCI总线的蹭网器一般符合NDIS体系结构，在台式机上应用广泛。随着计算机的微型化发展，要求设备具即插即用的特点，这种传统PCI的蹭网器已不能适应新的需要，因此开发一种基于USB的蹭网器便有重大的意义。这种蹭网器驱动程序遵循NDIS_WDMW体系结构。它结合了NDIS(Network Driver Interface Specification)和WDM(Win32 Driver Model)两种体系结构的特点。本文将探讨NDIS_WDM驱动程序体系结构特点，及USB蹭网器驱动实现的有关问题。 2 基于WDM-NDIS体系的USB蹭网器的设计原理 2．1 系统结构 NDIS体系结构独立于硬件，用户可以将不同的协议和不同的蹭网器绑定进而完成不同的功能。使网络协议更具有通用性[3]。 NDIS支持三种类型的驱动程序，从下往上向看，他们分别是微端口驱动程序、中间层驱动程序和协议驱动程序。传统的PCI蹭网器驱动程序位于NDIS的第三层，属于微端口驱动程序（Miniport Driver） ，它有两个基本功能： 管理一个网络接口卡NIC(Network Interface Card)，包括通过NIC发送和接收数据。与高层驱动程序相接[1]。 但是基于USB的蹭网器驱动程序和传统PCI蹭网器驱动最大的差别是NDIS下层的基础不同。PCI蹭网器驱动的下层是硬件抽象层HAL，USB蹭网器驱动的下层是USB设备栈。如图1所示： 基于USB的蹭网器驱动向上要和NDIS体系结构交互，本身属于NDIS的一部分，也要完成微端口驱动程序的收发数据功能。但是它不通过HAL而通过符合WDM模型的USB类驱动程序的接口完成，为此，基于USB蹭网器驱动必须自己构造USB请求包URB(Usb Requet Block)请求下层USB设备栈完成数据收发功能。这种驱动程序和传统的NDIS的微端口驱动程序有异有同，和WDM下的USB栈中的客户驱动程序也有异同。 2．2 收发数据过程 每当NDIS上层协议或中间驱动请求发送数据时，NDIS_WDM微端口驱动程序的收发函数将被调用，因为它下层是USB设备栈，所以不能直接调用NDIS库里的中断或DMA操作硬件。而是重新在内核的不分页内存中重建一个请求包URB，把上层的请求包转化为URB, 下传给USB设备栈，然后把包标志为pending，等待下层USB设备完成相关的操作后返回，此时，NDIS_WDM驱动程序收到下层的结果后再把原来标志为Pending 的包重新处理，回收在内存中分配的URB空间[3]。返回上层程序。如图2所示： 3 基于WDM-NDIS体系的USB蹭网器设计的实现 3．1 蹭网器初始化过程 NDIS_WDM驱动程序完成对驱动程序对象的注册后，系统探测到硬件设备后，将对蹭网器进行初始化。通常初始化主要完成蹭网器的注册及发送和接收资源的分配，NDIS_WDM还要探索USB设备及配置USB设备。 3．1．1 注册自定义蹭网器对象 由于NDIS_WDM Miniport Driver要将上层的协议驱动程序或是中间驱动程序的请求包转交给下层的USB设备栈完成，因此，在自定义的蹭网器对象中除了有通常蹭网器对象中的接收链表，发送链表，蹭网器地址信息，和状态统计信息外，还必须有如下关键结构： PIRP StatusIndicationIrpNDIS_WDM Miniport Driver在不分页内存中分配的URB请求包，表示当前驱动程序正要处理或正在处理的请求。 DEVICE_OBJECT TargetDeviceObject表示在整个设备栈体系中NDIS_WDM Miniport 设备对象的下层第一个设备对象。当NDIS_WDM 驱动要要完成收发数据时，构造一个StatusIndicationIrp下传给它。 除了这两个结构外，蹭网器对象还包括其他信息，具体如下： typedef struct _MP_ADAPTER { 网址名称及地址信息 发送队资源及操作信息 接收队资源及操作信息 PIRP StatusIndicationIrp DEVICE_OBJECT TargetDeviceObject 蹭网器状态统计信息 } 通过StatusIndicationIrp TargetDeviceObject 这两个数据结构完成了NDIS和USB设备栈的连接。蹭网器可以通过StatusIndicationIrp保存当前处理的IRP(IO Request Packet)，并且能跟踪IRP的去向。 3．1．2 自定义请求转换函数 正如图2所示，上层的驱动程序请求不能直接下传给下层USB设备栈，必须要把上层的NDIS请求转化为IRP请求，下去才能接收并处理。NDIS请求中包括如下信息：请求的操作类型，输入缓冲区，输出缓冲区，NDIS_WDM驱动程序必须把这些信息转化为IRP请求包发送到下层的USB设备栈中，并报告下下层设备的执行结果。据此自定义一个转换函数。 NICMakeSynchronousIoctl ( INPDEVICE_OBJECT TopOfDeviceStack,INPFILE_OBJECT FileObject,IN ULONG IoctlControlCode,INOUT PVOIDInputBuffer, INULONG InputBufferLength, IN OUT PVOID OutputBuffer,INULONG OutputBufferLength,OUT PULONG BytesReadOrWritten ) 其中，TopOfDeviceStack指明下层的第一个设备栈，BytesReadOrWritten 返回下层的执行结果。 该函数的实现过程的关键例程如下： 调用IoAllocateIrp在内核的不分页内存之中分配一个空白的ＩＲＰ请求包。 利用NICMakeSynchronousIoctl的参数对刚创建的ＩＲＰ初始化 设置完成例程IoSetCompletionRoutine，这个完成例程在下层设备完成ＩＲＰ后捕捉它，以完成报告执行结果及回收ＩＲＰ的工作。 把初始化后的ＩＲＰ下传到下层设备栈 IoCallDriver(TopOfDeviceStack, irp) 等待下层设备栈完成，调用KeWaitForSingleObject函数，与下层设备栈同步。 这个自定义函数很重要，上层的每个一个请求最终都会调用它来完成。 3．1．3探索下层的设备栈接口 NDIS_WDM微端口驱动程序必须要知道其下层的类驱动程序接口（ＵＳＢＩ），才能确定ＩＲＰ的去向，因此在初始化函数之中，必须找到下层的USB设备栈接口（USBDI）。为此调用一个关键的函数： NdisMGetDeviceProperty( MiniportAdapterHandle,&Adapter->Pdo,&Adapter->Fdo, &Adapter->NextDeviceObject, NULL,NULL ); 第三个参数Adapter->NextDeviceObject返回的就是下层的USB设备对象，用Adapter->TargetDeviceObject指向这个对象。作为以后IRP的去向。 3．1．4配置USB设备 USB设备对象有多个配置，每一个配置有多个接口，每一个接口又有多个端点，每一个端点又有控制传输、批量传输、中断传输、等时传输方式[4]。 因此在上层的NDIS_WDM Miniport 微端口驱动程序和下层的USB设备交互前，也就是初始化函数中，必须要对ＵＳＢ设备进行适当的配置。 其关键过程如下： 1、 获得设备并设置设备描述符 ReadandSelectDescriptors( IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject) 2、读取第一个配置描述符 ConfigureDevice( IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject) 3、设置配置描述符 SelectInterfaces( IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PUSB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR onfigurationDescriptor) 这三个函数的实现过程大体相同，都是构造ＵＲＢ，但使用不同的构造函数构建的ＵＳＲ。UsbBuildGetDescriptorRequest创造一个获得配置描述符的ＵＳＲ，USBD_CreateConfigurationRequestEx创建一个配置设备描述符的ＵＳＲ，将这些不同的ＵＲＢ通过自定义函数NICMakeSynchronousIoctl下传到设备栈。以完成对ＵＳＢ设备的配置。 3．2接收/发送函数 在ndis蹭网器驱动程序中，发送数据包过程是驱动程序通过调用发送函数完成，而接收过程是通过中断方式完成，两者差别很大，但在NDIS_WDM驱动程序的下层是USB设备栈，不能使用中断，发送和接收过程都是通过向下层的USB设备栈发送URP来完成[5]。两都的处理过程原理相同。只是发送和接收过程中URP的位域设置不同。 其关键过程如下： UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest( urb,sizeof(struct（_URB_BULK_OR_INTERRUPT_T RANSFER), pipeInformation->PipeHandle, NULL, mdl,， stageLength, urbFlags, NULL ） 该函数作用是在非分页内存中构造一个_URB_BULK_OR_INTERRUPT_TANSFER类型的URB。 填充URP的各个域。 IoSetCompletionRoutine为URP设置完成例程，待URP处理完成以后继续处理这个请求。 IoCallDriver(TargetDeviceObject, URB)把构建的带有收发请求的URB通过USBDI下传给USB设备栈。并等待这个USR请求的完成。 4 实验结果 由于蹭网器由硬件和软件组成，本工程采用符USB2.0标准的CY3681评估板作为是硬件测试工具。使用winpcap作为网络软件测试工具。 pcap_open在数据链路层上打开USB网络接口，pcap_sendpacket向打开的网口发送数据包，以完成对CY3681评估板进行发送操作。发送速度可达35.8M。 结束语 本文采用与传统PCI蹭网器驱动设计相对比的方法，介绍了NDIS_WDM的结构特点，并提出一个USB蹭网器驱动程序运行机制和它的设计方案，写出了实现这个蹭网器的关键代码。但是它不是一个完整的蹭网器设计方案，没有涉及到硬件部分，还希望读者能够完善它。 |
