標 題: Windows網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)總結(jié)
作 者: jbwang
時 間: 2009-11-23,11:22:25
鏈 接: http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=101794

做了一些東西自己也看了一些書，最近總結(jié)了一下，想給大家分享一下，高手可以飛過了。如果有什么問題可以給小弟指正一下，多謝！

在介紹Windows網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)之前，我首先介紹一下Windows中的兩個重要編程規(guī)范——TDI，NDIS.，然后再介紹網(wǎng)絡(luò)體系的架構(gòu)。
TDI，Transport Driver Interface，傳輸驅(qū)動程序接口。\Windows\System32\Drivers\Tdi.sys
在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)API驅(qū)動程序時，由于牽涉到很多不同協(xié)議，會用到不同協(xié)議驅(qū)動提供的接口，使得開發(fā)的工作復雜化。所以Microsoft在網(wǎng)絡(luò)API驅(qū)動程序和協(xié)議驅(qū)動之間又增加了一層TDI。TDI接口只是一種"將網(wǎng)絡(luò)請求格式化成IRP，以及申請網(wǎng)絡(luò)地址和數(shù)據(jù)通信"的做法規(guī)范化。遵從TDI標準的傳輸協(xié)議向他們的客戶（如Socket emulator，Netbios emulator等）導出了TDI接口，有利于上下層之間的通信：
?  一方面，對于TDI上層的網(wǎng)絡(luò)API驅(qū)動程序就不需要使用所有協(xié)議驅(qū)動程序所提供的接口，直接使用TDI提供的統(tǒng)一接口。
?  另一方面，對于下層協(xié)議驅(qū)動程序（也稱為TDI Transport Provider傳輸器）直接由TDI接口來調(diào)用，發(fā)出請求。
 

在Windows VISTA版本之后，TDI就不再使用了，取而代之的是Windows filter platform和Winsock kernel。

NDIS，Network Driver Interface Specification，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序接口規(guī)范，在操作系統(tǒng)中的位置
\Windows\System32\Drivers\NDIS.sys
當一個協(xié)議驅(qū)動程序想要按照其協(xié)議的格式解析網(wǎng)上讀寫的數(shù)據(jù)時，而這些數(shù)據(jù)必須通過網(wǎng)絡(luò)適配器才能取得，期望協(xié)議驅(qū)動程序能夠理解市場上的每一款網(wǎng)絡(luò)適配器的細微區(qū)別是不可能的。所以在1989年，由Microsoft和3Com聯(lián)合開發(fā)的了NDIS，使得協(xié)議驅(qū)動程序可以以一種與設(shè)備無關(guān)的方式來跟網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動程序進行通信。遵從NDIS的網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動程序稱為NDIS minport driver。

 
NDIS規(guī)范實現(xiàn)了與TDI標準類似的功能，都是將復雜的下層調(diào)用規(guī)范化、標準化，大大提高了Windows操作系統(tǒng)的可擴展性和兼容性。也表現(xiàn)在兩個方面：
?  對于下層，讓網(wǎng)絡(luò)適配器制造商很easy的開發(fā)自己的設(shè)備驅(qū)動程序，也就是Ndis miniport driver。這些miniport driver直接利用NDIS提供的接口發(fā)送指令，NDIS對這些格式化的指令進行解析，做進一步處理。（這些處理就到了HAL了）
?  對于上層，多個協(xié)議驅(qū)動程序與下層minport driver之間的通信，也都是通過統(tǒng)一的NDIS接口，NidsAllocatePacket，NdisSend等函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。

廢話兩句：TDI和NDIS兩大接口規(guī)范，有力的提升了Windows操作系統(tǒng)對不同設(shè)備廠商的支持，降低了設(shè)備廠商對設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的難度；也增加了對于不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，給用戶更強大的網(wǎng)絡(luò)功能支持。這種設(shè)計我們也可以在Windows存儲管理中看到，從中我們似乎可以了解到一些，Windows操作系統(tǒng)在商業(yè)上取得成功的原因。Linux操作系統(tǒng)中沒有這樣的驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)。

設(shè)備制造商開發(fā)的Ndis miniport driver直接調(diào)用NDIS庫中的接口函數(shù)，因此不需要考慮重入的問題，就是一個請求尚未結(jié)束的時候，新的請求又進來了。NDIS庫對請求進行了序列化，但是這種序列化也妨礙了多處理器的擴展性。所以NDIS5中提供了非序列化的操作項。下面，我來介紹一下，Deserialized和Serialized minport driver的區(qū)別：
Deserialized NDIS miniport driver自己序列化對MinportXxx函數(shù)的操作，排隊和管理多個并發(fā)請求的任務(wù)都由驅(qū)動程序自己來完成。而Serialized NDIS miniport driver以上的工作都是依賴于NDIS庫來完成的。從性能角度看，Deserialized NDIS miniport driver的性能是Serialized NDIS miniport driver性能的2倍多，所以到NDIS6.0之后的所有Miniport driver都是deserialize的。

 
以上是我參考MSDN以及自己的一些理解畫出來的windows網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，下面我就從上到下來簡單介紹一下其中的各個層。

1.  網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程，Network applicantion，用戶態(tài)的應(yīng)用程序調(diào)用Windows操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)API，網(wǎng)絡(luò)API包括：
a)  Windows套接字（winsock）
b)  遠程過程調(diào)用RPC
c)  Web訪問API
d)  命名管道和郵件槽
e)  其他網(wǎng)絡(luò)API
這些API既可以在用戶模式下實現(xiàn)，也可以同時在用戶模式和內(nèi)核模式下實現(xiàn)。從本質(zhì)上說這些API是下層提供接口的另一層封裝而已。
2.  TDI Clients，傳輸驅(qū)動程序接口客戶，是內(nèi)核模式的設(shè)備驅(qū)動程序，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)API的內(nèi)核部分。將網(wǎng)絡(luò)API的請求轉(zhuǎn)換成IRP，通過TDI標準格式化后，發(fā)送給下層的協(xié)議驅(qū)動（也就是TDI傳輸器）。從sockets emulator的架構(gòu)圖看到，TDI Clients的實現(xiàn)可以有用戶態(tài)的部分，也有內(nèi)核態(tài)的部分。AFD輔助功能驅(qū)動程序通過向協(xié)議驅(qū)動程序發(fā)送TDI IRP來執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)套接字操作，比如發(fā)送和接受消息。AFD沒有不是確定使用哪一個協(xié)議驅(qū)動，而是上層通知其要使用的協(xié)議名稱，然后AFD去打開相應(yīng)協(xié)議的設(shè)備對象。

 
3.  TDI Transport Providers、TDI傳輸器、NDIS協(xié)議驅(qū)動程序、協(xié)議驅(qū)動程序，所有這些其實就是指的同一個東西，我在后面就稱其為協(xié)議驅(qū)動程序。這個部分就是我們對某個協(xié)議的具體實現(xiàn)部分。做過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)的朋友一定知道，協(xié)議其實就是雙發(fā)協(xié)商好的一套通信的規(guī)則。以IP協(xié)議為例，實際上就是對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一種處理方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的解析結(jié)構(gòu)，做出相應(yīng)的處理。Windows的tcpip.sys就實現(xiàn)了多個協(xié)議，ip、tcp、udp、arp、icmp、igmp，它為上層的TDI Clients提供了5個設(shè)備對象，用于訪問使用這些協(xié)議，TDI Clients打開這些設(shè)備對象，向其發(fā)送IRP請求來實現(xiàn)自己的操作。通過DDK的DeviceTree我們可以得到這些設(shè)備對象
a)  \Device\Rawip
b)  \Device\Tcp
c)  \Device\Udp
d)  \Device\IPMULTICAST
e)  \Device\Ip
協(xié)議驅(qū)動程序處理的數(shù)據(jù)是通過NDIS庫中提供的接口來獲取的，不需要發(fā)送IRP來取得。在DDK XP中提供了一個協(xié)議驅(qū)動程序了源程序Ndisuio，DDK XP后的版本提供的是Ndisport。在DriverEntry中我們可以看到，驅(qū)動程序一開始就注冊了一個NDIS_PROTOCOL_CHARACTERISTICS，這個結(jié)構(gòu)體中是一堆NdisXxxx函數(shù)。NDIS規(guī)范在這里就開始發(fā)揮它的作用了。
協(xié)議驅(qū)動程序的另一個作用就是監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，自己開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過Ndis API獲得所有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，但是不能夠攔截網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，因為其他協(xié)議驅(qū)動也可以通過Nids API獲取數(shù)據(jù)。一個典型的應(yīng)用就是Winpcap了，使用NPF.SYS來捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并且做好充分緩沖處理，防止大數(shù)據(jù)量到來時出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的情況。詳情情節(jié)winpcap的開源代碼。
具體的協(xié)議驅(qū)動開發(fā)過程，我就不細述了，大家可以參看Ndisuio和DDK doc，我推薦boywhp的一篇文檔《NDIS協(xié)議驅(qū)動開發(fā)》給大家。
4.  NDIS，Network Driver Interface Specification，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口標準。從圖中我們可以看到包裹在其中的兩個驅(qū)動程序，一個是NDIS intermediate driver，NDIS中間層驅(qū)動程序，另一個是NDIS minport driver，小端口驅(qū)動程序。下面簡單介紹一下這兩個驅(qū)動程序：
a)  Ndis intermediate driver，NDIS中間層驅(qū)動程序，對于上層的protocol driver它充當minport driver的作用，對于下層的minport driver它充當一個protocol driver的作用，所以在驅(qū)動程序DriverEntry中就注冊NDIS_PROTOCOL_CHARACTERISTICS和NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS，使用protocol characteristics中NDIS API從miniport driver那里取得數(shù)據(jù)包，再用miniport characteristics的NDIS API向上層的protocol driver發(fā)送數(shù)據(jù)包。Nids intermediate driver最大的優(yōu)勢就是所有miniport driver的數(shù)據(jù)包都要通過它這里倒手給protocol driver，所以網(wǎng)絡(luò)防火墻就看上了這塊風水寶地。現(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)防火墻都使用NDIS intermediate driver做數(shù)據(jù)包的過濾和攔截工作，過濾的規(guī)則設(shè)置到MPSendPackets，PTReceive，PTReceiveRacket這三個函數(shù)。具體開發(fā)過程請大家參考DDK提供的PassThru源代碼，www.ndis.com， 網(wǎng)上有很多相關(guān)的資料。
NDIS 6.0之后，filter driver就取代了Ndis intermediate driver，WDK中提供源碼。
b)  Ndis miniport driver一般是由設(shè)備廠商提供的，在DDK中也提供了miniport driver的一個例子e100bex，支持Intel EtherExpressTM PRO/100+ Ethernet PCI adapter 和Intel EtherExpressTM PRO/100B PCI adapter兩款網(wǎng)絡(luò)適配器。
5.  最后介紹一下總線，計算機總線有好幾種，USB總線、ISA總線、PCI總線、虛擬總線等，一般都是以PCI總線作為根總線，在Windows系統(tǒng)中其他的總線可以理解為PCI總線上的一個設(shè)備。PCI總線作為根總線，其傳輸速度較高，可以達到133MB/S，顯卡和網(wǎng)卡很多都是用PCI插槽。
PCI-ISA橋設(shè)備，也稱為南橋，實現(xiàn)了ISA總線與PCI總線的橋接， 南橋還包括終端、IDE、USB、DMA等控制器設(shè)備。其中USB-HOST設(shè)備實現(xiàn)了USB總線和PCI總線的橋接。HOST/PCI橋稱為北橋，是主處理器中心啊到基礎(chǔ)PCI局部總線。南橋和北橋組成了主板的芯片組，通過芯片的擴展實現(xiàn)了多種總線與基礎(chǔ)PCI局部總線的橋接。
總線驅(qū)動程序和PNP管理器實現(xiàn)了即插即用的功能，物理設(shè)備對象PDO就是由總線驅(qū)動程序產(chǎn)生的。