採用單進程處理路由協議棧的方法
2023-04-28 09:27:01
專利名稱：採用單進程處理路由協議棧的方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，尤其涉及一種路由器、多層交換機等具有三層路由功能的網絡節點設備中處理路由協議棧的方法。
背景技術：
目前，路由器、多層交換機等具有路由功能的網絡節點設備主要用於連接多個邏輯上分開的網絡，從事不同網絡之間數據的存儲轉發功能。它可以根據不同的鏈路幀來傳輸數據，進而完成網絡層中繼任務。以下以路由器為例，具體說明其完成路由和轉發的工作過程。
所述路由即判定到達目的地的最佳路徑，由路由協議中的路由選擇算法來實現。為了判定最佳路徑，根據路由協議來創建包含路由信息的路由表，並且，通過路由器之間的相互通信息來達到更新路由信息的目的，使得路由表能夠正確反映網絡的拓撲變化，並由路由協議根據量度來決定最佳路徑。以上是路由協議的主要功能。
所述轉發為路由器從輸入埠接收IP分組，查找路由器中的路由表來選擇該IP分組的輸出埠。路由表是通過路由協議維護的包含所有路由信息的數據結構。轉發功能主要是通過基本協議棧完成，其過程為。
首先，路由器將收到的IP分組後，截取IP分組中的目的IP位址；然後，用獲得的目的IP位址作為索引值量找路由表，判斷能否查找到其發送的下一跳地址信息，即查找有無對應於該IP位址的路由表項，若有，則根據路由表的相應表項輸出查表結果；否則，即在路由表中未存在對應表項，路由器通常將該分組丟棄；最後，路由器根據查表結果(查表結果為下一跳地址信息)將IP分組送到輸出埠發送出去。
負責構造路由表的路由協議和負責轉發過程的基本協議棧組成路由協議棧。請參閱圖1，其為路由協議棧的一個基本構成示意圖。該路由協議棧1與作業系統2相連，主要運行在UNIX、LINUX等作業系統上，也可以運行在嵌入式作業系統上。其中，路由協議包括域內路由協議(如路由信息協議RIP、開放式最短路徑優先協議OSPF、協議無關組播路由協議PIM等)和域間路由協議(如邊界網關協議BGP等)。基本協議棧指以IP協議為核心的多個協議，一般包括鏈路層協議(如乙太網協議802.3、點對點協議PPP等)、IP層協議(地址解析協議ARP、IP協議、網間控制報文協議ICMP、動態主機配置協議DHCP等)、傳輸層協議(傳輸控制協議TCP、用戶數據報協議UDP等)。
目前，路由器的作業系統普遍採用多進程處理路由協議棧協議，即構築在作業系統之上的路由協議棧的每一個協議運行一個進程，有的系統還使用了線程(進程內更小的並行單位)來實現進程內的並行操作。這種處理方法別然易於多協議獨立開發和系統可擴展性較好，但是存在以下缺點首先，由於CPU按時間片分配給各個進程使用，並且每個進程都有自己的運行環境，因此使得在CPU做進程切換時需要記住該進程已完成的計算任務。即進程的每一次切換都是一次中斷處理過程，包括三個步驟(1)用戶數據的保存包括正文段(TEXT)，數據段(DATA，BSS)，棧段(STACK)，共享內存段(SHARED MEMORY)的保存。(2)寄存器數據的保存包括PC(programcounter，程序計數器，指向下一條要執行的指令的地址)，PSW(processorstatus word，處理機狀態字)，SP(stack pointer，棧指針)，PCBP(pointerof process control block，進程控制塊指針)，FP(frame pointer，指向棧中一個函數的local變量的首地址)，AP(augument pointer，指向棧中函數調用的實參位置)，ISP(interrupt stack pointer，中斷棧指針)，以及其他的通用寄存器等。(3)系統層次的保存包括虛擬存儲空間管理表格，中斷處理棧。從上可知，進程間切換的開銷很大。
其次，進程間通信IPC(Inter-process communication)一般採用如下幾種方式(1)共享內存由於共享內存在設計時沒有處理鎖機制，因此當有多個進程在訪問共享內存時就會產生問題。如一個進程正在修改一個共享內存單元，而另一個進程企圖讀取該共享內存單元的內容，這時會影響程序的正確性。按作業系統的運作方式，有讀鎖和寫鎖來保證數據的一致性。而沒有鎖機制的共享內存，必須和信號量一起使用，才能保證共享內存的正確操作；(2)消息隊列進程取得消息隊列的訪問權限後必須通過關鍵值來讀消息隊列中具有相同關鍵值的消息，寫消息時帶入消息關鍵值。這樣可以通過不同的關鍵值區分不同的交易，使得同一個消息隊列可以供多種消息同時使用而不衝突，在一次讀寫操作前都必須取得消息隊列標識符，即訪問權；消息隊列的訪問具備鎖機制處理，即一個進程在訪問時另一個進程不能訪問；(3)信號量信號量可用於進程間互斥和同步。互斥信號量用於多進程對共享資源的互斥操作；同步信號量用於協調多進程的運行順序，但是，在多信號量環境下易引起系統死鎖；(4)信號在用戶進程需要對某個中斷做自己定義的處理時，可以自己定義中斷處理函數，並設置中斷處理函數與該中斷相關聯。這樣用戶進程在收到該中斷後，即調用用戶定義的函數，處理完成後用戶進程從被中斷處繼續運行，這種方式很有可能造成系統中斷，其對其它任務影響的程度決定於信號處理函數設計的優劣。
從上可知，採用多進程處理路由協議棧不僅進程切換的開銷大，而且為了解決進程之間的通信，包括進程間數據如何交換、進程間數據如何同步、如何協調進程間等所使用的IPC方法都需要花費一定的開銷，甚至帶來系統不穩定因素(如多信號量的使用容易導致死鎖等)。
而路由協議棧的多個協議不同於一般的多任務系統路由協議之間相對獨立，基本協議棧的各個協議具有順序執行的特點，由於使用多進程實現基本協議棧的協議，使得協議之間的優先關係不易確定，從而為了實現協議進程之間的通信而導致作業系統的開銷增大，進而使得CPU的運行效率降低。
發明內容
本發明解決的問題是採用多進程處理路由協議棧協議時，由於進程之間切換和進程之間的相互通信，從而導致CPU的開銷大，進而使得CPU的運行效率低的技術問題。
為解決上述問題，本發明公開了一種採用單進程處理路由協議棧的方法，包括(1)當路由協議棧的進程啟動時，進行路由協議棧的初始化，所述初始化包括A建立每一層的協議註冊鍊表，所述協議註冊鍊表的每一節點保存本層所支持的一協議的信息，所述信息用於處理收發數據和協議事件；B建立協議事件鍊表，若協議收到應用層發送來指令時，在所述協議事件鍊表中增設一節點用以保存本協議事件；(2)依次查找所述協議註冊鍊表的每一節點，對本節點對應的協議進行收包操作和發包操作；(3)依次查找協議事件鍊表的每一節點，調用所述節點對應的事件的處理函數進行處理。
步驟(1)還包括C建立定時器鍊表，若協議動作時，在所述定時器鍊表中增設一定時器節點用以保存該協議的時限信息，若協議完成動作時，在所述定時器鍊表中刪除所述協議動作所對應的定時器節點。
步驟(3)之後還包括(4)依次查找定時器鍊表的每一節點，當本節點對應的協議動作超時時，調用其回調函數，並復位定時器。
步驟A具體包括建立鏈路層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本鏈路層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立網絡層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本網絡層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立傳輸層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本傳輸層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立應用層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本應用層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息。
上述協議信息包含協議的標識、協議名稱、協議事件處理函數指針、協議MIB庫操作函數指針、協議類型、協議使能標識、協議收發函數指針以及收發後續處理函數指針。
步驟(2)中還包括在進行本協議的收包和發包操作之前，判斷所述協議使能標識是否使能，若是，進行本協議的收包和發包操作，否則，進行輪詢下一個節點。
步驟(2)中的收包步驟具體包括當路由協議棧進程輪詢至節點所對應的協議時，所述協議對應的協議註冊鍊表的收包處理函數從本節點向前查看下層協議的接收緩衝隊列，若存在包含屬於本協議的報文時，從所述接收緩衝隊列中取出所述報文數據進行本協議的解析，解析後的數據存在本協議對應的接收緩衝隊列。
步驟(2)中的發包步驟具體包括當路由協議棧進程詢到協議棧事件列隊時，依次調用各層的發送函數進行處理。
步驟(1)中還包括讀取協議棧配置文件信息；初始化系統緩衝池；初始化網絡設備驅動程序。
所述協議事件鍊表的每一節點中包含一協議事件，該節點的信息格式包括事件鍊表前後向指針、埠號、指令字、套接字描述符、緩衝區首指針、緩衝區大小、數據首指針、目的地址、目的協議類型、源地址和源協議類型。
與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明採用單一的路由協議棧進程對接收到的各種報文和各種協議事件進行順序處理，由於沒有多進程切換與通信，因此使得系統的更多資源用於協議處理，從而提高了CPU的運行效率。另外，本發明採用輪詢方式依次執行路由協議和基本協議棧，由於其輪詢的次序是一定的，從而使得協議處理的先後次序也確定，因此不會出現多進程環境中運行狀態無法預料的情況。還有，由於採用了單進程的方式，數據在多個協議之間的傳遞可以方便地實現「零拷貝」，這對於大量的數據處理來說，節省的資源是很可觀的。對於需要緊急處理的情況，可以在協議事件中加上優先級信息，這樣在加入協議消息鍊表中時，就可以實現一定程度的排隊。
圖1是路由協議棧的一個基本構成示意圖。
圖2是本發明採用單進程處理路由協議棧的一流程圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，具體說明本發明的發明點。
請參閱圖2，其為本發明採用單進程處理路由協議棧的一流程圖。該方法包括S110當路由協議棧的進程啟動時，進行路由協議棧的初始化，所述初始化包括A建立每一層的協議註冊鍊表，所述協議註冊鍊表的每一節點保存本層所支持的一協議的信息，所述信息用於處理收發數據和協議事件；B建立協議事件鍊表，若協議收到應用層發送來指令時，在所述協議事件鍊表中增設一節點用以保存本協議事件；S120依次查找所述協議註冊鍊表的每一節點，對本節點對應的協議進行收包操作和發包操作；S130依次查找協議事件鍊表的每一節點，調用所述節點對應的事件的處理函數進行處理。
步驟S120和步驟S130，是系統初始化完後，進行的路由協議棧的運行，上述兩個步驟可以是一個兩重輪詢步驟。
本申請人還提出了對路由協議棧的協議運作進行統一的定時器管理策略，即在步驟S110中還設置子步驟C建立定時器鍊表，若協議動作時，在所述定時器鍊表中增設一定時器節點用以保存該協議的時限信息，若協議完成動作時，在所述定時器鍊表中刪除所述協議動作所對應的定時器節點。
步驟S130之後，設置步驟S140依次查找定時器鍊表的每一節點，當本節點對應的協議動作超時時，調用其回調函數，並復位定時器。
從上可知，本發明路由協議與基本協議棧集中在單一進程中運行，並採用輪詢調度的方法進行路由協議棧的協議的執行，而且在輪詢過程中，步驟S120和步驟130可以是根據具體情況設置優先次序，在本實施方式中，是先執行步驟S120，但並非局限於此。
以下就舉一個具體實施例，來說明本發明是如何利用單進程來處理路由協議棧的方法。該方法包括路由協議棧初始化過程和路由協議棧的輪詢過程。其中路由協議棧進程啟動後，首先進行協議棧系統初始化，主要包括以下步驟(1)讀取協議棧配置文件信息；(2)初始化系統緩衝池；(3)初始化網絡設備驅動程序；(4)建立並初始化定時器鍊表；(5)建立並初始化協議事件鍊表；(6)建立鏈路層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本鏈路層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；
(7)建立網絡層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本網絡層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；(8)建立傳輸層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本傳輸層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；(9)建立應用層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本應用層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息。
以上步驟(6)至(9)是建立各層的協議註冊鍊表，協議註冊鍊表為一個鍊表結構，按照鏈路層協議、IP層協議、傳輸層協議和應用層協議分類建立不同的鍊表。各協議在啟動前應向本協議所在的層的協議註冊鍊表進行註冊，協議註冊鍊表在鍊表結構中添加一個節點登記該協議的有關信息，這些信息包含協議的標識(id)，協議名稱，協議事件處理函數指針，協議MIB庫操作函數指針，協議類型，協議使能標識，協議收發函數指針以及收發後續處理函數指針，關於收發緩衝區的各種指示，協議頭部在數據包中佔據的字節數，協議埠號，協議發送時需要使用的源地址。這些必要的信息將作為參數用於收發數據和協議事件的處理。
鍊表表項結構如下PROTOCOL_REGISTRATION_ENTRY
各協議通過如下調用向協議註冊鍊表註冊一節點
註冊函數的參數中沒有包含的註冊節點中的信息在系統配置文件中指明。系統配置文件記錄了一系列需要預先靜態配置的協議信息，用法相同於多進程協議環境。
在路由協議棧進行初始化時，本路由器所支持的各層協議通過上述方法向協議所在的層的協議註冊鍊表進行註冊，在協議註冊鍊表中增設一對應的節點，從而形成一鍊表。當路由器的埠上電後，增加所支持的協議時，該協議通過向本協議所在的層的協議註冊鍊表進行註冊即可，具有很好的擴展性。
在步驟(4)建立並初始化定時器鍊表，在本實施例中，是通過以下方式建立定時器鍊表的。
由於路由協議棧中大量使用定時器來觸發協議動作，本發明人設計了一個對路由協議棧所有協議的定時器進行統一管理的鍊表。各協議每當生成一個定時器，便向定時器管理鍊表登記，管理鍊表生成一個定時器節點，其中包含該定時器的各種信息，包括定時器激活標誌，定時器超時時限，啟動時間，回調函數(即超時後的操作)指針，定時器名稱，相關協議註冊節點指針，定時器標識，定時器類型(單次定時或循環定時)。在路由協議棧進程掃描定時器鍊表過程中對各個已登記的定時器進行檢查，將當前系統時間與定時器超時時間和啟動時間進行比較，若發現本定時器超時，則調用其回調函數進行處理，並復位定時器。
定時器鍊表節點結構如下TIMING_NODE
當各協議動作時，通過如下調用登記定時器
當協議動作完成後，刪除定時器鍊表中本協議所對應的定時器節點。
在步驟(5)建立並初始化協議事件鍊表，在本實施例中，是通過以下方式建立協議事件鍊表的。
這裡的協議事件是指協議收到應用層軟體發來的指令，包括應用啟動、應用終止、應用使能、取套接字(SOCKET)出錯碼、連接完成、收到連接請求、連接關閉、遠端連接關閉、從套接字收到數據、向套接字發送數據。
本發明設計了一個協議事件鍊表，應用層軟體作為獨立的進程，可以向協議事件鍊表發送待處理的各個事件，其信息格式如下APP_MESSAGE
其中，指令字包括前面提到的若干類型。
協議事件觸發協議棧自上而下的一系列處理，其處理過程依賴於具體事件，可由各協議實現。
經過上述路由協議棧的初始化過程後，接下來進行三重輪詢過程；第一重輪詢過程依次查看協議註冊鍊表中的每一個節點(即協議)，對於使能的協議，調用其收包處理函數進行收包處理；其間若有報文需要發送則直接調用發送函數進行發包處理；協議棧收包處理當路由協議棧進程輪詢到某協議時，它的收包處理函數在協議註冊鍊表中，從自己這個節點向前查看可能的下層協議的接收緩衝隊列。由於下層協議在自己的收包處理函數中對數據包的相應欄位進行了解析，並在緩衝區頭部指明了上層協議的類型，因此上層協議可以從下層協議的接收緩衝隊列中取出自己的包並進行處理。
例如當路由協議棧進程輪詢到IP協議時，IP的收包處理函數將查看802.3協議和PPP協議(若均已註冊)的接收緩衝隊列，其中若包含屬於IP協議的報文，則IP協議從隊列中取出該緩衝區進行IP層處理，若該報文屬於上層協議TCP，則IP會在報文緩衝區頭部相應的欄位指明這是一個TCP分段，然後將其加入自己的接收緩衝隊列；隨後當路由協議棧進程輪詢到TCP協議時，TCP會查看IP的接收緩衝隊列，並取出TCP分段進行處理。
協議棧發包過程協議棧發送的報文分為兩種一種是上層應用進程向網絡中發送的報文；一種是源自協議棧的報文(包括路由器用戶數據報文，即經過IP層轉發的報文)。
應用層需要發送數據時，通過通用的SOCKET接口調用生成SOCKET事件，SOCKET事件被加入到協議棧事件隊列，同時，應用層數據也加入到SOCKET發送緩衝區。當協議棧進程輪詢到事件隊列時，發現有應用數據需要發送，則調用SOCKET發送函數，而SOCKET發送函數又會依次調用TCP發送函數、TCP發送函數調用IP發送函數、IP發送函數根據目的地選擇路由器埠並根據鏈路類型調用相應的鏈路層協議發送函數，最終應用數據被發送到網絡上。
當協議棧內部某協議在運行過程中需要發送數據時，採用同上的方法依次調用各層發送函數進行處理。需要指出的是，IP層收到某報文後，經過查找路由表，發現該報文需要從另一個埠發送出去，即該報文是用戶數據報文，此時便直接調用發送函數進行發送。
第二重輪詢依次查看協議事件鍊表，若鍊表中包含節點，則調用相應的事件處理函數進行處理；第三重輪詢依次查看定時器鍊表，若發現超時的定時器節點，則調用相應的超時處理函數進行處理，並對定時器進行復位。
路由協議棧進程不斷重複以上的三重輪詢以處理路由協議棧收發的各種報文。
權利要求
1.一種採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，包括(1)當路由協議棧的進程啟動時，進行路由協議棧的初始化，所述初始化包括A建立每一層的協議註冊鍊表，所述協議註冊鍊表的每一節點保存本層所支持的一協議的信息，所述信息用於處理收發數據和協議事件；B建立協議事件鍊表，若協議收到應用層發送來指令時，在所述協議事件鍊表中增設一節點用以保存本協議事件；(2)依次查找所述協議註冊鍊表的每一節點，對本節點對應的協議進行收包操作和發包操作；(3)依次查找協議事件鍊表的每一節點，調用所述節點對應的事件的處理函數進行處理。
2.如權利要求1所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(1)還包括C建立定時器鍊表，若協議動作時，在所述定時器鍊表中增設一定時器節點用以保存該協議的時限信息，若協議完成動作時，在所述定時器鍊表中刪除所述協議動作所對應的定時器節點。
3.如權利要求2所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(3)之後還包括(4)依次查找定時器鍊表的每一節點，當本節點對應的協議動作超時時，調用其回調函數，並復位定時器。
4.如權利要求1或3所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟A具體包括建立鏈路層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本鏈路層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立網絡層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本網絡層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立傳輸層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本傳輸層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息；建立應用層的協議註冊鍊表，初始化配置信息，並建立本應用層的收發緩衝隊列，所述協議註冊鍊表的每一節點保存該層上的一協議信息。
5.如權利要求4所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，所述協議信息包含協議的標識、協議名稱、協議事件處理函數指針、協議MIB庫操作函數指針、協議類型、協議使能標識、協議收發函數指針以及收發後續處理函數指針。
6.如權利要求1或5所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(2)中還包括在進行本協議的收包和發包操作之前，判斷所述協議使能標識是否使能，若是，進行本協議的收包和發包操作，否則，進行輪詢下一個節點。
7.如權利要求1或3所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(2)中的收包步驟具體包括當路由協議棧進程輪詢至節點所對應的協議時，所述協議對應的協議註冊鍊表的收包處理函數從本節點向前查看下層協議的接收緩衝隊列，若存在包含屬於本協議的報文時，從所述接收緩衝隊列中取出所述報文數據進行本協議的解析，解析後的數據存在本協議對應的接收緩衝隊列。
8.如權利要求1或3所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(2)中的發包步驟具體包括當路由協議棧進程詢到協議棧事件列隊時，依次調用各層的發送函數進行處理。
9.如權利要求1所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，步驟(1)中還包括讀取協議棧配置文件信息；初始化系統緩衝池；初始化網絡設備驅動程序。
10.如權利要求1所述的採用單進程處理路由協議棧的方法，其特徵在於，所述協議事件鍊表的每一節點中包含一協議事件，該節點的信息格式包括事件鍊表前後向指針、埠號、指令字、套接字描述符、緩衝區首指針、緩衝區大小、數據首指針、目的地址、目的協議類型、源地址和源協議類型。
全文摘要
本發明公開了一種採用單進程處理路由協議棧的方法，包括(1)當路由協議棧的進程啟動時，進行路由協議棧的初始化，初始化包括A建立每一層的協議註冊鍊表，協議註冊鍊表的每一節點保存本層所支持的一協議的信息，信息用於處理收發數據和協議事件；B建立協議事件鍊表，若協議收到應用層發送來指令時，在協議事件鍊表中增設一節點用以保存本協議事件；(2)依次查找協議註冊鍊表的每一節點，對本節點對應的協議進行收包和發包操作；(3)依次查找協議事件鍊表的每一節點，調用節點對應的事件的處理函數進行處理。另外，本發明還採用統一的定時器管理策略。由此，提高了路由協議棧的運行效率和數據吞吐率，進而提高了CPU的運行效率。
文檔編號H04L29/06GK1728701SQ200410070008
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月30日 優先權日2004年7月30日
發明者陳庶樵, 郭雲飛, 李雲濤, 伊鵬, 魏進武, 申涓 申請人:國家數字交換系統工程技術研究中心