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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(luò)核心路由器的體系結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一些變化。近年來(lái)，高性能路由器體系結(jié)構(gòu)的研究和國(guó)內(nèi)外主流廠商生產(chǎn)的大部分商用高端路由器的實(shí)現(xiàn)方案中，普遍采用了集中式交換、分布式報(bào)文處理和轉(zhuǎn)發(fā)的體系結(jié)構(gòu)［1，2］。
提出了硬件抽象層(Hardware AbstractionLayer，HAL)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)問(wèn)題，為構(gòu)建開(kāi)放通用的路由器軟件基礎(chǔ)平臺(tái)提供了保證。硬件抽象層包括虛擬驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)管理和內(nèi)部通信3大模塊，在整個(gè)路由器系統(tǒng)中的位置如圖1所示。
結(jié)合國(guó)家863重大課題“高性能IPv6路由器基礎(chǔ)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，將文獻(xiàn)［3］中提出的硬件抽象層在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Hard HatLinux中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)高性能路由器體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究了硬件抽象層在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。主要包括虛擬驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載模式、基于分隔符的TCP實(shí)時(shí)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(jī)制幾個(gè)內(nèi)容。
2 支撐軟件在高性能IPv6路由器中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 虛擬驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載模式
虛擬驅(qū)動(dòng)模塊是模擬線路接口單元?jiǎng)幼鞯闹匾糠�，他的靈活性和可擴(kuò)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(gè)內(nèi)核模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。他可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加載，與靜態(tài)加載相比具有很大的靈活性。編譯時(shí)，內(nèi)核模塊可單獨(dú)進(jìn)行模塊的編譯調(diào)試，縮短了調(diào)試時(shí)間；使用時(shí)，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(kuò)展或升級(jí)時(shí)，可以將其卸載后進(jìn)行修改。除此之外，動(dòng)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(yùn)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(jī)
Linux操作系統(tǒng)中的進(jìn)程分為用戶態(tài)進(jìn)程和內(nèi)核態(tài)進(jìn)程2類，用戶態(tài)進(jìn)程不能直接執(zhí)行運(yùn)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(jī)制，設(shè)置了兩級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)，通過(guò)頁(yè)面地址和在該頁(yè)中的偏移量就可以惟一確定虛擬地址所對(duì)應(yīng)的物理地址。
在硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)中，內(nèi)部通信處于用戶態(tài)，虛擬驅(qū)動(dòng)處于內(nèi)核態(tài)。而他們之間不可避免地需要進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的傳遞，即處于Linux不同空間的2個(gè)進(jìn)程要進(jìn)行通信。但是，這2個(gè)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(gè)問(wèn)題，指針傳遞后如何映射又是一個(gè)問(wèn)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(guān)鍵。
2．2．1 內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的指針傳遞
先來(lái)解決內(nèi)存地址的傳遞問(wèn)題，根據(jù)Linux驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)，選擇ioctl()函數(shù)來(lái)傳遞指針。該函數(shù)屬于系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用后將一個(gè)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(gè)域，其中ifrn＿name代表設(shè)備的名稱，即虛擬網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)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(guò)程與其相反。因此，下一步要進(jìn)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(guò)ioctl傳入內(nèi)核空間后，他本身并沒(méi)有發(fā)生改變，需要進(jìn)行虛擬地址到物理地址的映射才可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
可以使用內(nèi)核kiobuf機(jī)制，他能提供從內(nèi)核空間對(duì)用戶內(nèi)存的直接訪問(wèn)。內(nèi)核kiobuf機(jī)制的設(shè)計(jì)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(yè)面起始位置、頁(yè)數(shù)和偏移量等具體參數(shù)，因此可在內(nèi)核空間對(duì)用戶態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存進(jìn)行操作。
首先分配一個(gè)內(nèi)核I/O向量(kiovec)來(lái)產(chǎn)生kiobuf，使用函數(shù)如圖2所示。
然后再對(duì)其進(jìn)行初始化，如圖3所示。
最后，將通過(guò)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(guò)程，實(shí)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(wèn)題得到了很好的解決。通過(guò)解決內(nèi)存地址映射的問(wèn)題，內(nèi)部通信和虛擬驅(qū)動(dòng)之間就可以只傳遞數(shù)據(jù)指針，大大提高了模塊的運(yùn)行效率。
