基于Linux的USBoverIP系统设计

本论文研究和分析了Linux下USB驱动的原理和实现，提出一种USB over IP 方法，在驱动层将USB请求封装成IP包传送，在驱动底层实现远端USB设备 到本地的透明映射，不局限于特定的设备类别，这样完成和实现了局域网内 Linux主机之间的任意USB设备相互共享，并且不需要对原有USB系统结构有 任何的改变，无需增加硬件成本，只需安装一个驱动，力求让访问远程主机的 USB设备像访问本机上的USB设备一样简单方便，据本人测试，在100M网卡 的局域网内传输速度可达到700Kbyte/s以上，基本满足普通需求。 本论文的具体工作有： <1> Linux 驱动结构与原理的详细分析，结合Linux内核代码具体分析了设 备驱动原理，Linux驱动模型，以及sysfs 文件系统。 <2> Linux 系统下的USB驱动结构分析，包括Linux USB主机端驱动和设 备端驱动，着重分析USB主机端驱动。 <3> USB over IP 的实现原理和具体实现方法，由于操作的不管是USB存贮 设备还是USB摄像头，其USB命令在驱动层都会被封装成USB请求包(URB)， 这样我在驱动层将USB 请求包（URB）封装成IP 包在以太网上传送，实现远 端URB 到本地的透明映射，实现设备的相互共享。另外还对特定问题，如热插 拔，驱动绑定等，进行了详细的分析并提出自己的解决方法。 ### 基于Linux的USBoverIP系统设计 #### 一、研究背景与意义 随着USB技术的不断发展，各种类型的USB设备不断涌现，从简单的U盘到复杂的摄像头、打印机等，极大地丰富了人们的日常生活和工作环境。然而，随着网络化办公的普及，如何在不同的主机间共享USB设备成为了一个迫切需要解决的问题。传统的解决方案往往需要额外的硬件支持或者仅限于特定的操作系统，例如Windows下的USBanywhere和USBoverNetwork等。针对这一问题，本研究提出了一种新的解决方案——基于Linux的USBoverIP系统设计，该方案旨在通过软件层面的技术创新，实现局域网内Linux主机间USB设备的无缝共享。 #### 二、关键技术点分析 ##### 1. Linux驱动结构与原理 - **设备驱动原理**：Linux中的设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁，负责处理来自硬件的数据以及向硬件发送指令。设备驱动程序通常包括初始化、数据读写、错误处理等功能模块。 - **Linux驱动模型**：Linux采用了模块化的驱动设计，使得驱动程序可以动态加载和卸载，增强了系统的灵活性。此外，Linux还引入了通用框架（如USB框架），使得开发人员可以更容易地编写跨平台的驱动程序。 - **sysfs文件系统**：sysfs是一个虚拟文件系统，它为设备驱动提供了一个统一的接口，以便用户空间的应用程序可以访问和控制硬件设备。通过sysfs，应用程序可以直接读取硬件的状态信息或者设置硬件的工作模式。 ##### 2. Linux系统下的USB驱动结构 - **USB主机端驱动**：Linux的USB主机端驱动主要由USB核心、USB设备驱动和USB主机控制器驱动三部分组成。其中，USB核心负责管理USB总线，设备驱动负责与具体的USB设备交互，而主机控制器驱动则负责与物理的USB控制器通信。 - **USB设备端驱动**：虽然本文主要关注的是主机端的驱动设计，但对于理解整个USB系统的运作机制而言，了解设备端驱动也是必要的。设备端驱动负责处理来自主机的USB请求，并执行相应的操作。 ##### 3. USBoverIP的实现原理 - **URB封装成IP包**：USBoverIP的核心思想是在驱动层将USB请求包(URB)封装成IP包，然后通过以太网进行传输。这样，远端的USB设备就能够被本地主机识别并使用，就像是连接在本地主机上一样。 - **透明映射**：为了实现透明性，USBoverIP系统需要确保远端设备的所有请求都能够准确无误地被映射到本地，而不需要用户对具体的网络传输过程有任何了解。 - **热插拔处理**：由于USB设备支持热插拔特性，因此USBoverIP系统必须具备实时监测设备插入和拔出的功能，并能及时更新设备列表，确保用户可以在任何时间点都能正常访问USB设备。 - **驱动绑定**：为了确保USBoverIP驱动能够正确地与USB设备进行绑定，系统需要有一套完善的机制来处理设备的绑定和解绑操作。 #### 三、实验验证与性能评估 根据论文中的描述，在100M网卡的局域网环境下，采用USBoverIP方案传输USB设备的数据时，传输速度可以达到700Kbyte/s以上，这表明该方案具有较高的传输效率，能够满足大多数场景下的需求。 #### 四、结论与展望 基于Linux的USBoverIP系统设计不仅解决了局域网内Linux主机之间USB设备的共享问题，而且还降低了实现成本。该方案通过对现有Linux驱动结构的深入分析和优化，成功实现了USB设备的网络化共享，为未来网络化办公提供了新的思路和技术支持。未来的研究可以进一步探索如何提高传输速度和稳定性，以及如何将此技术扩展到更广泛的网络环境中。