1引言

隨著Internet的飛速發(fā)展和寬帶技術(shù)的不斷出現(xiàn)，骨干網(wǎng)絡核心路由器的體系結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一些變化。近年來，高性能路由器體系結(jié)構(gòu)的研究和國內(nèi)外主流廠商生產(chǎn)的大部分商用高端路由器的實現(xiàn)方案中，普遍采用了集中式交換、分布式報文處理和轉(zhuǎn)發(fā)的體系結(jié)構(gòu)。

文獻提出了硬件抽象層（Hardware AbstractionLayer，HAL）的設計思想，成功地解決了分布式路由器面臨的通用性支撐軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計問題，為構(gòu)建開放通用的路由器軟件基礎平臺提供了保證。硬件抽象層包括虛擬驅(qū)動、系統(tǒng)管理和內(nèi)部通信3大模塊，在整個路由器系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

結(jié)合國家863重大課題“高性能IPv6路由器基礎平臺及實驗系統(tǒng)”，將文獻中提出的硬件抽象層在嵌入式實時操作系統(tǒng)Hard HatLinux中進行了實現(xiàn)。本文針對高性能路由器體系結(jié)構(gòu)的特點，研究了硬件抽象層在實現(xiàn)過程中的關鍵技術(shù)。主要包括虛擬驅(qū)動的動態(tài)加載模式、基于分隔符的TCP實時傳輸方法、基于地址映射的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)間的阻塞式數(shù)據(jù)交換機制幾個內(nèi)容。

2支撐軟件在高性能IPv6路由器中實現(xiàn)的關鍵技術(shù)

2．1虛擬驅(qū)動的動態(tài)加載模式

虛擬驅(qū)動模塊是模擬線路接口單元動作的重要部分，他的靈活性和可擴展性直接影響硬件抽象層的可用性。

在Linux操作系統(tǒng)下，該模塊是作為一個內(nèi)核模塊來實現(xiàn)的。他可以實現(xiàn)實時動態(tài)加載，與靜態(tài)加載相比具有很大的靈活性。編譯時，內(nèi)核模塊可單獨進行模塊的編譯調(diào)試，縮短了調(diào)試時間；使用時，將該模塊鏈接到內(nèi)核，便可發(fā)揮模擬線路接口單元的作用；擴展或升級時，可以將其卸載后進行修改。除此之外，動態(tài)加載還可以縮減Linux內(nèi)核的大小，使編譯后的內(nèi)核小巧，占用內(nèi)存較少，提高了運轉(zhuǎn)速度。

2．2基于地址映射的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)間的阻塞式數(shù)據(jù)交換機

Linux操作系統(tǒng)中的進程分為用戶態(tài)進程和內(nèi)核態(tài)進程2類，用戶態(tài)進程不能直接執(zhí)行運行在內(nèi)核態(tài)的內(nèi)核代碼或者存取操作系統(tǒng)內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在內(nèi)存管理方面，Linux系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理機制，設置了兩級頁表結(jié)構(gòu)，通過頁面地址和在該頁中的偏移量就可以惟一確定虛擬地址所對應的物理地址。

在硬件抽象層的實現(xiàn)中，內(nèi)部通信處于用戶態(tài)，虛擬驅(qū)動處于內(nèi)核態(tài)。而他們之間不可避免地需要進行一些數(shù)據(jù)的傳遞，即處于Linux 不同空間的2個進程要進行通信。但是，這2個模塊分處于Linux系統(tǒng)的用戶空間和內(nèi)核空間，數(shù)據(jù)指針如何傳遞是一個問題，指針傳遞后如何映射又是一個問題。因此用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間內(nèi)存地址的傳遞和轉(zhuǎn)換成為了提高硬件抽象層工作效率的關鍵。

2．2．1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的指針傳遞

先來解決內(nèi)存地址的傳遞問題，根據(jù)Linux驅(qū)動程序的特點，選擇ioctl（）函數(shù)來傳遞指針。該函數(shù)屬于系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用后將一個類型為ifreq的結(jié)構(gòu)指針變量ral＿ifr從用戶態(tài)傳入內(nèi)核態(tài)，該結(jié)構(gòu)的定義在/include/linux/if．h中。

使用了其中的ifrn＿name和ifru＿data兩個域，其中ifrn＿name代表設備的名稱，即虛擬網(wǎng)絡接口設備名，ifru＿data為所要傳遞的數(shù)據(jù)指針。使用系統(tǒng)調(diào)用ioctl（）之后，用戶空間到內(nèi)核空間的指針傳遞就完成了。內(nèi)核空間到用戶空間的指針傳遞過程與其相反。因此，下一步要進行的是內(nèi)核空間與用戶空間數(shù)據(jù)指針的映射。

2．2．2內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的內(nèi)存映射

由2．2．1可知，用戶空間的指針通過ioctl傳入內(nèi)核空間后，他本身并沒有發(fā)生改變，需要進行虛擬地址到物理地址的映射才可以對其進行讀寫操作。

由文獻分析可知，可以使用內(nèi)核kiobuf機制，他能提供從內(nèi)核空間對用戶內(nèi)存的直接訪問。內(nèi)核kiobuf機制的設計初衷就是為了便于將用戶空間的緩沖區(qū)映射到內(nèi)核。使用他能夠獲得數(shù)據(jù)的頁面起始位置、頁數(shù)和偏移量等具體參數(shù)，因此可在內(nèi)核空間對用戶態(tài)申請的內(nèi)存進行操作。

首先分配一個內(nèi)核I/O向量（kiovec）來產(chǎn)生kiobuf，使用函數(shù)如圖2所示。

最后，將通過ioctl傳入的用戶空間指針ifru＿data映射到內(nèi)核態(tài)，使用函數(shù)map＿user＿kiobuf，如圖4所示。

這樣就完成了將指針由用戶空間映射到內(nèi)核空間的過程，實現(xiàn)了從虛擬地址向物理地址的轉(zhuǎn)換。

至此，內(nèi)核空間與用戶空間的內(nèi)存映射問題得到了很好的解決。通過解決內(nèi)存地址映射的問題，內(nèi)部通信和虛擬驅(qū)動之間就可以只傳遞數(shù)據(jù)指針，大大提高了模塊的運行效率。

2．3基于分隔符的TCP實時傳輸方法

2．3．1Nagle算法的弊端

糊涂窗口綜合癥（Silly WindowSyndrome）的出現(xiàn)使網(wǎng)絡開銷過大，從而造成TCP性能變壞。根據(jù)文獻所述，糊涂窗口綜合癥的解決方法就是采用文獻中所建議的Nagle算法。但是在實際應用時發(fā)現(xiàn)，Nagle算法的不足之處主要有2點：

（1）在限制數(shù)據(jù)報頭部信息消耗的帶寬總量的同時，是以犧牲網(wǎng)絡延遲為代價的。

（2）在發(fā)送方的緩沖區(qū)中，應用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)生了粘滯的現(xiàn)象，即發(fā)送的若干數(shù)據(jù)包到接收方接收時變成一包，分不出各個包的界線。

前者因為數(shù)據(jù)被排隊而不是立即發(fā)送的，因此不適用于需要快速響應時間的系統(tǒng)。后者則會影響到接收方的數(shù)據(jù)處理的準確性。第一種不足可以通過使用PUSH標記來實現(xiàn)，發(fā)送方如果使用了該標志，會立即將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。對于第二個問題，解決起來就比較復雜，因為出現(xiàn)數(shù)據(jù)包粘滯現(xiàn)象的原因既可能由發(fā)送方造成，也可能由接收方造成。

2．3．2基于分隔符的TCP實時傳輸方法

采用了基于分隔符的TCP實時傳輸方法來解決包粘滯問題。該方法在應用層數(shù)據(jù)包的起始部分附加上有特定格式的分隔符和數(shù)據(jù)長度域，其中分隔符用于界定數(shù)據(jù)包之間的界限，長度域則用于表示該數(shù)據(jù)包的實際長度。

首先，所有經(jīng)內(nèi)部通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，都需要進行一次內(nèi)部固定格式的封裝。封裝后數(shù)據(jù)包的包頭，是由內(nèi)部通信模塊自定義的，起始位置是分隔符和長度域。其次，接收方按照內(nèi)部通信模塊的自定義的包結(jié)構(gòu)，接收后對數(shù)據(jù)流進行預處理，還原成為應用程序可正確識別的數(shù)據(jù)包。預處理的原理如下：先查找包頭中的分隔符，他標識著一個數(shù)據(jù)包的開始；接下來的域表示的是實際數(shù)據(jù)包的長度len，取出緊跟在包頭后的長度為len的那段數(shù)據(jù)，這就是需要應用程序處理的數(shù)據(jù)包。

包粘滯的情況具體可細分為3大類，這里均以2個應用程序數(shù)據(jù)包粘滯成一段的情況為例，如圖5～圖9所示，當應用程序數(shù)據(jù)包個數(shù)為n時，可采用類似的方法進行處理。

第1類，粘滯數(shù)據(jù)是由完整的數(shù)據(jù)包組成的，如圖5所示。這種情況的處理非常簡單，按分隔符找到數(shù)據(jù)包的起始位置，再根據(jù)數(shù)據(jù)長度取出應用程序數(shù)據(jù)即可。

第2類，粘滯數(shù)據(jù)是由完整數(shù)據(jù)包和應用程序數(shù)據(jù)殘缺的數(shù)據(jù)包組成，如圖6和圖7所示。處理時，需要對殘缺數(shù)據(jù)包2的應用程序數(shù)據(jù)部分進行保存，內(nèi)部通信包頭的數(shù)據(jù)長度域也要記錄下來，以便下次接收時知道應用程序數(shù)據(jù)剩余部分的長度。再次收到數(shù)據(jù)時，就根據(jù)剩余長度取出一段數(shù)據(jù)，與上次保存的應用程序數(shù)據(jù)合為一個完整的數(shù)據(jù)包。

第3類，粘滯數(shù)據(jù)是由完整數(shù)據(jù)包和內(nèi)部通信包頭殘缺的數(shù)據(jù)包組成，如圖8和圖9所示。首先，要將如圖8所示數(shù)據(jù)段中收到的殘缺的這部分包頭保存起來，然后收取下一次數(shù)據(jù)如圖9所示。再從收取的數(shù)據(jù)中，截取可以與上次殘缺包頭組成完整的內(nèi)部通信包頭的一段報文，形成所需要的內(nèi)部通信包頭。當然，該段數(shù)據(jù)有可能并不是內(nèi)部通信包頭，這可以從分隔符是否正確等內(nèi)部通信封裝格式來判斷。如果發(fā)生這種情況，就要將指針以字節(jié)為單位，順次向后滑動，直到找到真正的內(nèi)部通信包頭為止。然后根據(jù)包頭中的信息，取出相應長度的應用程序數(shù)據(jù)交送給應用程序接收者。

解決了上述分析的2大不足之后，內(nèi)部通信模塊中實現(xiàn)的TCP傳輸，在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧己玫目煽啃院土骺匦灾猓€具備了一定的實時性能和防止數(shù)據(jù)包粘滯的功能。

3結(jié)語

本文研究了硬件抽象層在高性能IPv6路由器實現(xiàn)中的關鍵技術(shù)，主要分析了虛擬驅(qū)動的動態(tài)加載模式、基于分隔符的TCP實時傳輸方法、基于地址映射的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)間的阻塞式數(shù)據(jù)交換機制。通過上述關鍵技術(shù)的研究，使硬件抽象層得以實時、高效地運行，并且已穩(wěn)定運行于高性能IPv6 路由器中。

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