CN101178652B

CN101178652B - 简化单个操作系统中软件实体之间ip通信的方法和系统

Info

Publication number: CN101178652B
Application number: CN2007101674745A
Authority: CN
Inventors: E·弗里德; V·杰恩; L·W·拉塞尔
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: US8056089B2; US20080109818A1; CN101178652A

Abstract

本发明公开了一种使用通常的网络通信API完成驻留在同一操作系统中的软件实体之间的有效通信的方法、计算机程序产品和数据处理系统。根据优选实施例，当软件实体(例如进程)试图通过联网的API通信时，该操作系统确定通信的另一端是否指向同一硬件节点。如果是，则该操作系统就用直接进程间通信结构来代替网络协议连接(套接字连接)。在使用进程间通信结构完成所有实际的I/O的同时，该操作系统提供附加的代码以在API级别上模拟实际的网络(套接字)连接的外部特性。

Description

简化单个操作系统中软件实体之间IP通信的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及联网的计算机编程，并且特别涉及在单个操作系统中互相通信的网络应用的执行性能的改进。

背景技术

现代通信依赖于网络。一个网络是一组互相连接的机器(网络单元)，它们允许数据通过这组机器从源中继传送到目的地。网络可以根据它们所在地理范围来分类。局域网(LAN)通常定义为物理上限定在相对小范围的网络，诸如一座楼或楼群。广域网(WAN)是大范围网络的通用术语。

联网协议规定了网络单元之间通信的规则，它们通常被设计为按层工作，每层完成数据传输中稍有不同的任务。TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)是一个协议集合(被称为协议组)，它形成因特网和许多其他网络的基础。TCP/IP通常考虑采用4层协议模型。

应用程序员使用应用编程接口(API)来编写支持联网的软件，该接口允许程序员在编写网络通信程序时使用抽象的办法，无须确切地访问各协议层中具体的地址。或许此种API接口的最广泛应用的是在基于UNIX/POSIX的操作系统中提供的“套接字(sockets)”API；在其他的操作系统和编程环境例如JAVA编程环境中也提供类似的“套接字”和“套接字”类API。用于网络通信的“套接字”方法，是将两个网络实体之间的连接模拟为流或抽象文件，称为“套接字”。在以C编程语言进行编程中使用的常见POSIX“套接字”库中，打开套接字产生一个“套接字描述符”数字，它类似于文件描述符。其后来自/通往该“套接字”的输入/输出(I/O)通过将此“套接字描述符”送到I/O例程来完成，正如同文件描述符的情况一样。

虽然网络编程最终目标是允许网络中各种计算机相互通信是有争议的，但是经常出现两个通信的网络应用实际驻留在同一计算机的同一操作系统实例中。例如，一个应用服务器进程与同一操作系统实例上的数据库服务器进程进行通信。在这样的情况下，现代操作系统通常将避免使用计算机的联网硬件来实现通信，而是仍将通过通常的协议层(例如TCP/IP协议组的层)来处理通信。用这些协议层进行处理的有效性，对于在同一系统中两个软件实体之间的通信是没有什么价值的。例如，在同一系统上的两个进程间传输数据的加密就是不必要的。

但是，在现有技术中，没有办法去旁路此附加的网络处理，除非在每个应用中包括附加(非标准)的代码以便当可用时激活这种旁路。而且，这种旁路不能用于分区系统，即被分成两个或更多个软件分区的系统。软件分区是驻留在同一物理系统上并共享同一操作系统(核心)代码的虚拟操作系统实例。一个软件分区看不到整个环境的某些方面和其他的软件分区(包含网络相关信息)，除非它们可以从物理分离的系统上可见。因此，当进行通信的应用驻留在一个总系统的不同软件分区中的情况下，这些应用将不能确定它们是存在于同一系统中，所以不能应用上述技术来旁路整个网络协议的处理。

因此，所需要的是一种方法来针对驻留在同一系统上的两个进程之间的通信旁路整个协议堆栈的处理，甚至当两个进程是处在不同软件分区中的情况或者应用本身无法确定它们是否处在同一系统中的其他情况。本发明对此和其他问题提出了解决方法，并且提供了超越原有解决办法的其他优点。

发明内容

因此，本发明提供一种方法、计算机程序产品和数据处理系统，用于应用通常的网络通信API使驻留在同一操作系统中的软件实体完成有效的通信。根据优选实施例，当软件实体(例如进程)试图通过联网的API通信时，该操作系统确定通信的另一端是否指向同一个硬件节点。如果是，该操作系统就用直接进程间通信结构来代替网络协议连接(套接字连接)。当用进程间通信结构完成所有实际的I/O时，操作系统提供附加的代码来模拟在API级别上的实际网络(套接字)连接的外部特性。

以上是综合叙述，因此根据需要会对细节进行简化、概括和省略；本领域普通技术人员将知道，综合叙述仅仅是说明性的并且不意味着以任何方式来限定。本发明的其他方面、发明性特征以及优点完全按权利要求书限定，这些内容在下面给出的非限定详述中将是显而易见的。

附图说明

参见附图本发明会获得更好理解，并且它的许多目标、特征和优点对本领域普通技术人员是显而易见的，其中：

图1是根据本发明的优选实施例的在操作系统中打开网络连接的过程的流程图表示；

图2是根据本发明的优选实施例的套接字描述符/IPC结构描述符映射表的示图；

图3是根据本发明的优选实施例的读自、写到、询问或拆除网络连接的过程的示图；和

图4是其中可以实现本发明的优选实施例的数据处理系统的方框图。

具体实施方式

下面打算提供一个本发明实例的详细解释，它不应被用于限制本发明。进而，任何变化都可落在本发明的范围内，本发明范围由下面叙述所附的权利要求书所限定。

图1是根据本发明一个优选实施例的在操作系统中打开网络连接的过程的流程图表示。该过程以操作系统接收打开网络连接的请求开始(通过调用在套接字API或其他适当的联网API中的适当例程-本领域普通技术人员将会认识到图1提供的示例用的是套接字API，但其他类似的API，诸如X/Open传输接口或“XTI”也可以不受限制地使用)(框100)。响应于此调用，操作系统首先不经判断地(naively)通过打开正常的网络连接(例如套接字连接)来满足此请求(框102)。

然而接下来，确定连接的另一端上的地址(“目的节点”)是否实际上是个本地地址(即连接到达驻留在同一个硬件节点上同一个操作系统中的一个软件实体)(框103)。此确定借助于操作系统的内部路由表作出，该内部路由表指示哪个网络接口用来发送数据包到目的节点。如果目的节点是本地地址，则物理的网络接口不被用于将数据包传送到目的节点/从目的节点接收数据包；而是用一个虚设的或“虚拟的”接口(叫做“环回接口”)来代替。环回接口是软件定义的结构，它简单地发送数据包给自己，而不是通过某个硬件网络适配器发送数据包。在典型的TCP/IP联网系统中，按照惯例为环回接口分配IP地址127.0.0.1。

在本发明的优选实施例中，操作系统核心提供一个服务，用于确定通过给定网络连接的数据包所采用的路由并将此路由返回到调用例程。因此，通过首先询问此路由查找核心服务(Route lookup kernelservice)，然后确定返回的路由是否为经过此环回接口的路由，来确定给定网络连接的目的节点是否是本地的。如果路由通过此环回接口，那么此目的节点是一个本地地址。

如果目的节点不是本地的(框103的“否”)，则打开连接的过程简单地结束。然而如果目的节点是本地的(框103的“是”)，则操作系统产生一个进程间通信(IPC)结构去代替通常的网络连接(套接字连接)(框104)。

应该注意，在本文中的术语“进程间通信”和“IPC”以广泛的含义使用，其包含在多任务操作系统中用于实现软件实体(例如进程和线程)间通信的多种不同操作系统结构中的任意一种，而不管在某些操作系统中(最值得注意的是UNIX系统V和相关操作系统)用术语IPC表示某种特定类型的进程间通信结构的事实。在这里所用的术语“进程间通信”和“IPC”涵盖了其他类型的操作系统结构，诸如管道、FIFO(先入先出)等等。事实上，这些其他类型的结构，很多都遵循流类(stream-like)模型的输入/输出，实际上优于由“系统V IPC”所提供的消息传送和共享存储器通信结构。

在本发明的一个特别优选的实施例中，用流类进程间通信结构代替本地网络连接。许多此类结构在本领域是广为人知的。POSIX兼容的操作系统定义一个双向的“FIFO”结构，它提供进程之间基于流的输入/输出。基于POSIX的操作系统还提供称之为“管道”的特性，它提供类似的基于流的输入/输出。然而POSIX标准只定义半双工管道，因此在一些操作系统中需要为全双工通信利用一对管道(虽然一些操作系统如UNIX系统V版本4支持双向管道，或者在开放源代码的Linux操作系统中支持成对的半双工管道)。

可利用的另一形式的进程间通信结构是“操作系统-域套接字”或“本地域套接字”(一般在UNIX/POSIX联合体中叫做“UNIX域套接字”)。这些进程间通信结构(即它们不允许通过某个网络接口的通信)利用相同的应用编程接口作为网络套接字，但是它们绑定于路径名(即文件名)而不是网络地址。

一旦创建了进程间通信结构，就在映射表中用一个条目来指明从原始的网络连接到新的进程间通信结构的映射(框106)。在POSIX类操作系统中实现的优选实施例中，网络套接字和基于流的IPC结构都被赋予数字表示的“描述符值”，其作用类似于文件描述符。因此，将网络连接映射到相关IPC结构的映射表可以以图2中表200的形式构造，其中数字表示的套接字描述符(sockfd)映射成IPC结构描述符，在这个例子中是双向的FIFO(fifofd)。一旦完成了这个映射，所有的输入/输出都能通过这个IPC结构以图3中所示的方式来完成。这时，实际上有可能关闭或者拆除原始的网络连接(在框102中所产生的)，只要此操作以在连接的任一端上的应用不可能检测到的方式完成即可。在任何情况下，对连接请求进行响应的过程已完成，控制可返回到调用应用。

本领域普通技术人员将认识到，在本发明的可选实施例中，在创建进程间通信结构之前，不需要实际上建立原始的套接字连接。如果开始就能确定目的节点是本地的、不需要创建套接字连接，那么就可以创建进程间通信结构而开始进行通信，完全不需要打开套接字连接。

图3是根据本发明的优选实施例的读自、写到、询问或拆除一个网络连接的过程的示图。操作系统接收到一个读、写、询问或关闭根据图1所示过程形成的连接的调用(框300)。然后操作系统确定是否能在映射表(图2中表200)中找到套接字描述符(或用于识别连接的其他形式的句柄)。如果是，则原拟在该连接的套接字上完成的无论何种操作(读、写、询问状态、关闭等)，都代替地在与映射表中套接字描述符相应的IPC结构上完成(框304)。然后，这个操作的结果放在API的通常形式的输出中，开始时在这个API中接收调用，并且此结果通过此API返回(框305)。在某些情况下，可能需要产生通过API返回的假信息以保持与原有的API规范的兼容性，在该规范中正常地返回信息的API不适用于IPC结构。此时，控制返回到调用的应用。

可见，图1和图3的过程提供了一种独立于应用的方法，以改善单个操作系统中必须互相通信的网络应用的性能。由于该方法由操作系统通过正常的网络系统调用来完成，所以这个方法对于应用来说是完全透明的。

图4示出了信息处理系统401，它是能完成在此关于本发明优选实施例所描述的计算操作的计算机系统/数据处理系统的简化例子。计算机系统401包含处理器400，它连接到主总线402。二级高速缓存404同样也连接到主总线402。连接到主存储器408的主机-PCI桥406，包含高速缓存和主存储器的控制功能，提供总线控制以处理在PCI总线410、处理器400、二级高速缓存404、主存储器408和主总线402之间的传输。主存储器408连接到主机-PCI桥406和主总线402。只由主处理器400使用的设备，诸如LAN卡430，连接到PCI总线410。服务处理器接口与ISA存取通道412提供在PCI总线410和PCI总线414之间的接口。以这种方式，PCI总线414和PCI总线410相隔离。诸如闪存418这样的设备被连接到PCI总线414。在一个实施例中，闪存418包含BIOS代码，它包含用于各种低级系统功能和系统引导功能的必需的处理器可执行代码。

PCI总线414为包括例如闪存416的各种设备提供接口，这些设备由主处理器400和服务处理器418共享。PCI-ISA桥435提供总线控制，以处理PCI总线414与ISA总线440、通用串行总线(USB)功能性445、电源管理功能性455之间的传输，并且可以包括未示出的其他功能元件，诸如实时时钟(RTC)、DMA控制，中断支持以及系统管理总线支持。非易失性RAM420连接在ISA总线440上。服务处理器416包含在初始化步骤中用来与主处理器400通信的JTAG/I2C总线422。JTAG/I2C总线422也连接到二级高速缓存404、主机-PCI桥406和主存储器408，提供在处理器、服务处理器、二级高速缓存、主机-PCI桥和主存储器之间的通信路径。服务处理器416还有权访问系统电源以关闭信息处理设备401。

外围设备和输入/输出(I/O)设备可以连接到各种接口(例如连接到ISA总线440的并行接口462、串行接口464、键盘接口468和鼠标接口470)。可选地，许多I/O设备可由连接在ISA总线440上的超级I/O控制器(未示出)提供。

为了将计算机系统401连接到另一个计算机系统，以通过网络复制文件，LAN卡430连接到PCI总线410。类似地，为连接计算机系统401与某个ISP，以便通过电话线将该计算机系统连接到因特网，调制解调器475被连接到串口464和PCI-ISA桥435。

尽管图4中描述的计算机系统能够完成这里描述的过程，但该计算机系统仅仅是计算机系统的一个例子。本领域普通技术人员能够理解，许多其他的计算机系统设计也能够完成此处描述的过程。

本发明的一个优选实现是客户端应用，即一组指令(程序代码)或代码块中的其他功能描述材料，它们例如可以驻留在计算机的随机存取存储器中。直到计算机要求之前，这组指令都可以存储在另一计算机存储器中，例如存储在硬盘驱动器或可移动存储器如光盘(为了最终用在CD ROM中)或软盘(为了最终用在软盘驱动器中)中，或者通过因特网或其他的计算机网络来下载。因此，本发明可以实现为在计算机中使用的计算机程序产品。此外，虽然被描述的各种方法可以方便地在通用计算机中实现，并由软件来有选择地激活或重新配置，但本领域普通技术人员也会认识到，这些方法可以以硬件形式、固件形式或者构造为完成所要求方法步骤的更特殊的装置的形式来实现。功能描述材料是为机器赋予功能性的信息。功能描述材料包括但不限于计算机程序、指令、规则、事实、可计算功能的定义、对象和数据结构。

尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域普通技术人员而言，显然根据在此的讲授，可以在不偏离本发明及其广泛方面的情况下作出各种改变和修改。因此，所附的权利要求将处于本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修改包含在它们的范围内。而且，应明白本发明仅由所附的权利要求书定义。本领域普通技术人员将会明白，如果某个权项中的具体数字是有目的的，那么这个意图将明确地写在这个权项中，如果没有这类叙述，就没有这个限制。作为非限定的例子，为助于理解，下面所附的权利要求中包含下列介绍性词组的使用以介绍权利要求要素：“至少一个”和“一个或多个”。然而，这此词组的应用不应被理解为暗示着，用不定冠词“a”或“an”对权利要求要素进行引用将任何包含该被引用的权利要求要素的权项限定为只包含有一个这样的要素的发明，即使当在同一个权项中包含了词组“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词“a”或“an”的时候也是如此；这一点对于使用了定冠词的那些权项同样有效。当单词“或”在权项中应用时，是用它的包括在内的含义(也就是“A和/或B”，而不是“或者是A，或者是B”)。

Claims

1.一种通信实现方法，包括：

通过查询网络连接的路由来确定所述网络连接是否是在驻留于同一操作系统中的软件实体之间；和

响应于确定所述网络连接是在驻留于同一操作系统中的软件实体之间，通过所述软件实体之间的进程间通信连接与所述网络连接间的映射关系，用所述进程间通信连接来代替所述网络连接。

2.权利要求1的通信实现方法，进一步包括：

接收在所述网络连接上完成输入/输出操作的请求；

确定所述网络连接是否已被所述进程间通信连接所代替；和

响应于确定所述网络连接已被所述进程间通信连接所代替，使用所述进程间通信连接来完成所述输入/输出操作。

3.权利要求2的通信实现方法，其中所述请求是通过应用编程接口被接收的。

4.权利要求3的通信实现方法，进一步包括：

通过所述应用编程接口返回所述请求的结果，以便模拟所述网络连接的行为。

5.权利要求1的通信实现方法，其中所述进程间通信连接包括先入先出结构。

6.权利要求1的通信实现方法，其中所述进程间通信连接包括本地域套接字。

7.权利要求1的通信实现方法，其中所述网络连接是套接字连接。

8.一种通信实现系统，包括：

通过查询网络连接的路由来确定网络连接是否是在所述数据处理系统中驻留于同一操作系统中的软件实体之间的装置；和

响应于确定所述网络连接是在驻留于同一操作系统中的软件实体之间，通过所述软件实体之间的进程间通信连接与所述网络连接间的映射关系，用所述进程间通信连接来代替所述网络连接的装置。

9.权利要求8的通信实现系统，还包括：

接收在所述网络连接上完成输入/输出操作的请求的装置；

确定所述网络连接是否已被所述进程间通信连接所代替的装置；和

响应于确定所述网络连接已被所述进程间通信连接所代替，使用所述进程间通信连接完成所述输入/输出操作的装置。

10.权利要求9的通信实现系统，其中所述请求是通过应用编程接口接收的。

11.权利要求10的通信实现系统，还包括：

通过所述应用编程接口返回所述请求的结果，以便模拟所述网络连接的行为的装置。

12.权利要求8的通信实现系统，其中所述进程间通信连接包括先入先出结构。

13.权利要求8的通信实现系统，其中所述网络连接是套接字连接。