能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統的製作方法
2023-07-05 17:40:41
能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統。根據本發明的方法，在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核態模式通過文件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶態模式能通過所提供的接口來訪問所述文件系統，並在所述處理系統的用戶態線程中添加維護信息，以維護協議模塊向用戶態線程註冊的回調函數；由此，當文件系統創建後，由於文件系統所映射到內存區對於用戶態程序是可見的，因此，用戶態程序可以直接進行讀取，不需要進行拷貝，如此不依賴硬體即可實現一種高效的內核態到用戶態的通信機制，與現有技術相比較，本發明的報文提交效率高，而且內核安全。
【專利說明】能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及報文處理領域，特別是涉及一種能使報文高效地從內核態提交到用戶 態的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 現代通信設備中，尤其是大型機架、機框式的通信設備，往往是採用CPU+ASIC的 硬體設計方案。ASIC通信晶片負責硬體轉發（包括switch和route等），而CPU負責協議 層面的處理，這個處理過程主要依賴於ASIC晶片傳向CPU的報文來完成。
[0003] CPU上運行的應用程式或協議模塊，需要對ASIC晶片發往CPU的報文進行處理，包 括很多複雜的協議報文，例如RSTP、DHCP、IGMP等協議報文，還包括需要送往協議棧處理的 IP層報文等等。
[0004] 在一般LINUX系統的設計中，往往有兩種方案：
[0005] 方案一：直接修改LINUX內核協議棧，加入對RSTP、DHCP以及IGMP等協議報文的 處理，這種處理方式的弊端在於：
[0006] 1、修改LINUX內核，會造成不安全因素：因為Linux內核協議棧有很高的安全處理 機制和異常處理機制，修改內核破壞了內核的平衡，也就帶來了不安全不穩定的因素。
[0007] 2、難以維護和調試。調試內核比調試應用程式的難度不是一個級別，較難把握。
[0008] 方案二：由應用程式處理協議報文，內核和應用程式通過PROXY機制來提交報文， 也就是通過在LINUX用戶態起一個Proxy服務，內核通過該服務提供的接口將報文提交到 用戶態，這種方式的弊端在於：報文需要經過多次拷貝，效率較低。因為Proxy機制在提交 報文到用戶態採用了兩個隊列來緩存報文，內核向發送隊列裡寫報文，應用程式通過ioctl 接口讀取報文，至少需要經過4次拷貝才能將報文提交到用戶程序，報文量較大時，性能會 受到影響，甚至可能會導致中斷級別異常。
[0009] 因此，需要對現有報文由內核態提交到用戶態的方式進行改進。
【發明內容】
[0010] 鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種能使報文高效地從內 核態提交到用戶態的方法及系統，以實現報文的高效提交。
[0011] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種能使報文高效地從內核態提交 到用戶態的方法，其至少包括：在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核態模式 通過文件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶態模 式能通過所提供的接口來訪問所述文件系統；以及在所述處理系統的用戶態線程中添加維 護信息，以維護協議模塊向用戶態線程註冊的回調函數。
[0012] 本發明還提供一種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其至少包 括：第一添加模塊，用於在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核態模式通過文 件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶態模式能通 過所提供的接口來訪問所述文件系統；以及第二添加模塊，用於在所述處理系統的用戶態 線程中添加維護信息，以維護協議模塊向用戶態線程註冊的回調函數。
[0013] 優選地，在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於信號量來實現內核態 和用戶態的數據同步。
[0014] 優選地，在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於自旋鎖來保護分配給 所述文件系統的內存空間中的空閒空間與使用空間。
[0015] 優選地，所述接口包括：打開接口、關閉接口、控制接口、及內存映射接口。
[0016] 優選地，所述維護信息包括協議模塊註冊和解註冊接口信息。
[0017] 如上所述，本發明的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統，具有 以下有益效果：長時間大量報文提交，處理器的佔用率也較低，而且也沒有出現任何異常； 實現了 一種高效的內核態到用戶態的通信機制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1顯示為本發明的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法的流程圖。
[0019] 圖2顯示為本發明的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統示意圖。
[0020] 元件標號說明
[0021] 1 使能系統
[0022] 11 第一添加模塊
[0023] 12 第二添加模塊
[0024] S1 ?S2 步驟
【具體實施方式】
[0025] 以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0026] 請參閱圖1至圖2。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明 本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數 目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態也可能更為複雜。
[0027] 如圖1所示，本發明提供一種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法。其 中，根據本發明的方法主要通過使能系統來完成，該使能系統包括但不限於安裝在計算機 設備中且能夠實現本發明方案的諸如應用模塊、作業系統、處理控制器等。其中，該計算機 設備設置有能運行在用戶態模式及內核態模式的處理系統。
[0028] 其中，本發明的方法至少包括步驟S1及S2。
[0029] 在步驟S1中，所述使能系統在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核 態模式通過文件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用 戶態模式能通過所提供的接口來訪問所述文件系統。
[0030] 其中，所述接口包括任何能用於操控文件系統的接口，優選地，包括但不限於：打 開（open)接口、關閉（close)接口、控制（ioctl)接口、及內存映射（mmap)接口等。
[0031] 具體地，所述使能系統在處理系統中添加如下使能信息：
[0032] static ?module i ?module = ! mum、： MODULE-NAME， major: MODULE-MAJOR, inil: Jnil, cleanup: -cleanup, pprim； NULL, open: jnmap open, ioctl: __mmap_iocil, close: jnniap-dose, mmsp: _mmap_mmaps }；
[0033] 上述模塊結構中，_init和_cleanup進行模塊的註冊和卸載，_mmap_open、_mmap_ ioctl、__ap_close和__ap__ap分別進行文件系統的打開、控制、關閉和映射操作。
[0034] 其中，文件系統結構定義如下：
[0035] struct (11c___opcralions ___gniodulc__fops = { ioctl; -gmodulcjocll, open: -gmodule-open, release; _gmodulc_rcica$c, mmap: __gmodulc-m 膽p， J.-
[0036] 由此，通過標準的字符設備驅動註冊接口將文件系統註冊到內核。
[0037] 其中，報文節點採用鍊表來實現，其具體定義如下：
[0038] #define MAX-PKT-DATA 2032 lypedcf stmct mmap__kackct__s { struct 丨ist_head list: /7鍊表頭l.d指針 ini index; //報文/丨:內存中_索0丨 int length; //報文的 K度 unsigned char daia[MAX JKT-DATA]; //報文數據內容 }mmap_pkl_t; static stmct list-head free-list; static struct lisl-head used-list;
[0039] 處理系統初始化的時候，將映射的內存按節點逐一連結到空閒隊列free_list，當 有數據報文到達處理系統（即CPU)時，CPU從空閒隊列中取一個節點，填充好length和 data後，將該節點添加到使用隊列used_list, index為內存映射好後給該區塊分配的索 弓丨，當用戶態程序進行讀的時候會使用到。
[0040] 內核態和用戶態的數據同步則採用了信號量來實現。當用戶態程序對該內存塊進 行讀的時候，先要通過ioctl獲取使用隊列的信號量，如果獲取到，根據內核中該區塊的索 引進行訪問，讀取該區塊的內容。
[0041] 內核中對空閒隊列free_list和使用隊列used_list採用自旋鎖來保護。當有報 文需要發送時，需要從free_list中取出一個內存節點，用於driver填充報文到該內存塊， 然後加入到used_list。當用戶態程序讀取了 used_list中的一個內存節點中的數據報文 後，將該內存節點歸還到free_list鍊表中。
[0042] 在步驟S2中，所述使能系統在所述處理系統的用戶態線程中添加維護信息，以維 護協議模塊向用戶態線程註冊的回調函數。
[0043] 具體地，所述使能系統在所述處理系統的用戶態線程中添加如下協議模塊註冊和 解註冊接口信息等維護信息：
[0044] int user_pkt_register(PKT_N0DE*node)；
[0045] int user_pkt_unregister(PKT_N0DE*node)；
[0046] 其中，PKT_N0DE定義如下：
[0047] PKT^NODEf int priority; //該節點在鍊表中的位W char name[M AX-NAME-LENGTH]; /+/+ 議模塊名稱 callback pProcess: //應)ΙΓ程序用---i-處理該報文 typedef int ( * callback) (void);
[0048] 通過該註冊和解註冊接口來掛接協議模塊的回調處理函數，由此，當接受到的報 文是協議模塊需要的，則進行回調，將報文分發給協議模塊來處理。
[0049] 可見，當前述使能系統在處理系統中添加了使能信息及維護信息後，當處理系統 初始化時，通過標準的字符設備驅動註冊接口將文件系統註冊到內核，並將映射的內存按 節點逐一連結到空閒隊列free_list ;當有數據報文到達CPU時，CPU從空閒隊列中取一個 節點，填充好length和data後，將該節點添加到使用隊列used_list ;用戶態程序的接收 線程通過ioctl調用來讀取信號量狀態，一旦獲取到信號量，表明可以從使用隊列中獲取 到節點，然後根據返回的index值來讀取相應內存塊中的內容；當接收到的報文是協議模 塊需要的，則進行回調，將報文分發給協議模塊來處理；同時提供給協議棧統一的報文調試 接口；否則，根據報文的特定欄位（MAC、IP、乙太網類型、VLAN、優先級等）將讀取的報文進 行調試；當用戶態程序處理完畢後，再次通過ioctl調用來釋放信號量，從而釋放該節點， 在內核中將該節點添加到空閒隊列中。
[0050] 需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上述所示僅僅只是列示，而非對本發明 的限制，事實上，各步驟的順序並非以所示為限，例如，步驟S2可在步驟S1之前執行、步驟 SI、S2可同時執行等等。
[0051] 如圖2所示，本發明提供一種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系 統。所述使能系統1至少包括第一添加模塊11及第二添加模塊12。
[0052] 所述第一添加模塊11在處理系統2中添加使能信息，使所述處理系統2在內核態 模式通過文件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶 態模式能通過所提供的接口來訪問所述文件系統。
[0053] 其中，所述接口包括任何能用於操控文件系統的接口，優選地，包括但不限於：打 開（open)接口、關閉（close)接口、控制（ioctl)接口、及內存映射（mmap)接口等。
[0054] 具體地，所述第一添加模塊11在處理系統中添加如下使能信息：
[0055] static gmodule-t -gmodule = { name: MODULE-NAME， major: MODULE-MAJOR, kit: -inil, cleanup: -cleanup, pprint: NULL, open: -mmap-open, ioctl: ^mmap^iocll, close: -mmap-close, mmap: -mmap-mmap, }；
[0056] 上述模塊結構中，_init和_cleanup進行模塊的註冊和卸載，_mmap_open、_mmap_ ioctl、__ap_close和__ap__ap分別進行文件系統的打開、控制、關閉和映射操作。
[0057] 其中，文件系統結構定義如下：
[0058] struct file-operations -gmoduie-fops = { ioctl: _gmodule_ioctl, open; -gmoduk-open， release: _gmodulc_rclcasc5 mmap: _gmodulc_mmap5 }；
[0059] 由此，通過標準的字符設備驅動註冊接口將文件系統註冊到內核。
[0060] 其中，報文節點採用鍊表來實現，其具體定義如下：
[0061] #define M AXPKTDAT A 2032 typedef'struct mmap-kacket-s { struct list_head list; //鍊表頭尾指計 int index; //報文在內存中的索引 int length; //報文的長度 unsigned char daia[MAX_PKT_DATA]; //報文數椐內容 } mmap jkt-t; static stmet list_hcad frcc_list;
[0062] static struct list-head used-list;
[0063] 處理系統初始化的時候，將映射的內存按節點逐一連結到空閒隊列free_list，當 有數據報文到達處理系統（即CPU)時，CPU從空閒隊列中取一個節點，填充好length和 data後，將該節點添加到使用隊列used_list, index為內存映射好後給該區塊分配的索 弓丨，當用戶態程序進行讀的時候會使用到。
[0064] 內核態和用戶態的數據同步則採用了信號量來實現。當用戶態程序對該內存塊進 行讀的時候，先要通過ioctl獲取使用隊列的信號量，如果獲取到，根據內核中該區塊的索 引進行訪問，讀取該區塊的內容。
[0065] 內核中對空閒隊列free_list和使用隊列used_list採用自旋鎖來保護。當有報 文需要發送時，需要從free_list中取出一個內存節點，用於driver填充報文到該內存塊， 然後加入到used_list。當用戶態程序讀取了 used_list中的一個內存節點中的數據報文 後，將該內存節點歸還到free_list鍊表中。
[0066] 所述第二添加模塊12在所述處理系統2的用戶態線程中添加維護信息，以維護協 議模塊向用戶態線程註冊的回調函數。
[0067] 具體地，所述第二添加模塊12在所述處理系統的用戶態線程中添加如下協議模 塊註冊和解註冊接口信息等維護信息：
[0068] int user-pkt-register(PKT-N0DE*node);
[0069] int user-pkt-unregister(PKT-N0DE*node);
[0070] 其中，PKT_N0DE定義如下：
[0071] PKT NODE { int priority; 點/li 鏈衣中的位-W: char name[MAX-NAME-LENGTH]; //協+議漠塊名稱 callback pProcess; //應丨ΙΓ程序.丨U於處il該報文 }； typcdcf int ( * callback) (void);
[0072] 通過該註冊和解註冊接口來掛接協議模塊的回調處理函數，由此，當接受到的報 文是協議模塊需要的，則進行回調，將報文分發給協議模塊來處理。
[0073] 可見，當前述使能系統1在處理系統中添加了使能信息及維護信息後，當處理系 統初始化時，通過標準的字符設備驅動註冊接口將文件系統註冊到內核，並將映射的內存 按節點逐一連結到空閒隊列free_list ;當有數據報文到達CPU時，CPU從空閒隊列中取 一個節點，填充好length和data後，將該節點添加到使用隊列used_list ;用戶態程序的 接收線程通過ioctl調用來讀取信號量狀態，一旦獲取到信號量，表明可以從使用隊列中 獲取到節點，然後根據返回的index值來讀取相應內存塊中的內容；當接收到的報文是協 議模塊需要的，則進行回調，將報文分發給協議模塊來處理；同時提供給協議棧統一的報文 調試接口；否則，根據報文的特定欄位（MAC、IP、乙太網類型、VLAN、優先級等）將讀取的報 文進行調試；當用戶態程序處理完畢後，再次通過ioctl調用來釋放信號量，從而釋放該節 點，在內核中將該節點添加到空閒隊列中。
[0074] 需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上述所示僅僅只是列示，而非對本發明 的限制，事實上，第一添加模塊11、第二添加模塊12各自執行各自的操作的順序並非以所 示為限，例如，第二添加模塊12所執行的操作可在第一添加模塊11所執行的操作之前；又 例如，第一添加模塊11所執行的操作與第二添加模塊12所執行的操作同時執行等等。
[0075] 綜上所述，本發明的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法及系統在 LINUX系統中不修改內核協議棧，僅通過在內核態模式下使文件系統建立一段共享內存，由 此，不經過拷貝即可將報文由內核態直接提交到用戶態，如此不依賴硬體即可實現一種高 效的內核態到用戶態的通信機制，與現有技術相比較，本發明的報文提交效率高，而且內核 安全。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0076] 上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟 悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1. 一種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法，其特徵在於，所述能使報文高 效地從內核態提交到用戶態的方法至少包括： 在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核態模式通過文件系統註冊設備驅 動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶態模式能通過所提供的接口來 訪問所述文件系統； 在所述處理系統的用戶態線程中添加維護信息，以維護協議模塊向用戶態線程註冊的 回調函數。
2. 根據權利要求1所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法，其特徵在 於：在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於信號量來實現內核態和用戶態的數 據同步。
3. 根據權利要求1所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法，其特徵在 於：在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於自旋鎖來保護分配給所述文件系統 的內存空間中的空閒空間與使用空間。
4. 根據權利要求1所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法，其特徵在 於：所述接口包括：打開接口、關閉接口、控制接口及內存映射接口。
5. 根據權利要求1所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的方法，其特徵在 於：所述維護信息包括協議模塊註冊和解註冊接口信息。
6. -種能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其特徵在於，所述能使報 文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統至少包括： 第一添加模塊，用於在處理系統中添加使能信息，使所述處理系統在內核態模式通過 文件系統註冊設備驅動，以提供操控文件系統的接口，從而所述處理系統在用戶態模式能 通過所提供的接口來訪問所述文件系統； 第二添加模塊，用於在所述處理系統的用戶態線程中添加維護信息，以維護協議模塊 向用戶態線程註冊的回調函數。
7. 根據權利要求6所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其特徵 在於：在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於信號量來實現內核態和用戶態的 數據同步。
8. 根據權利要求6所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其特徵 在於：在處理系統中添加的使能信息滿足如下條件：基於自旋鎖來保護分配給所述文件系 統的內存空間中的空閒空間與使用空間。
9. 根據權利要求6所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其特徵 在於：所述接口包括：打開接口、關閉接口、控制接口及內存映射接口。
10. 根據權利要求6所述的能使報文高效地從內核態提交到用戶態的使能系統，其特 徵在於：所述維護信息包括協議模塊註冊和解註冊接口信息。
【文檔編號】G06F12/02GK104123229SQ201410347391
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】樂義華 申請人:上海斐訊數據通信技術有限公司