CN101626337B - 基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法 - Google Patents

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Abstract

基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法：建立隧道时，应用程序的处理进程获取虚拟地址，进行虚拟网卡使用实例的注册，建立与虚拟网卡通信的文件描述字；当虚拟网卡接收到协议栈转发的数据时，根据数据包的目的地址，将数据包转发给相应的文件描述字，从而交由正确的处理进程进行处理；每个隧道的处理过程分为建立隧道、数据转发以及拆除隧道：建立隧道时客户端发送建立隧道请求，隧道网关的应用程序fork一个新的进程来处理该请求：隧道建立成功后，隧道网关负责转发客户端与应用服务器之间的通信数据：当客户端断开tcp连接或是超时，拆除隧道连接，隧道网关将回收地址池分配出去的虚拟地址，进行虚拟网卡虚拟实例注销。

Description

基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法
一、技术领域
本发明涉及基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法。涉及大并发量、大数据量的数据处理，需要多个进程或是线程能并发的与虚拟网卡进行数据交互的方法。
二、背景技术
虚拟网卡技术被广泛的应用于VPN领域，如开源项目OpenVpn，其就使用了tun/tap驱动程序来实现虚拟网卡的功能。
使用tun驱动的应用程序在初始化虚拟网卡时，会建立一个文件描述字fd，此后，应用程序通过该文件描述字与虚拟网卡进行数据交互。
大并发量、大数据量的TCP应用程序模型，往往都是一个进程或一个线程来处理一个独立的Tcp连接，通过启用多进程或多线程的方式，来实现对大并发量、大数据量的支持。如果以此基础来实现多隧道的并发模型，这就需要多个进程或是线程能并发的与虚拟网卡进行数据交互。使用tup驱动来实现此种应用时，处理并发连接的进程和使用tun驱动的进程之间需要进行额外的数据通信，显然，这存在着一定的性能缺陷。
三、发明内容
本发明的发明目的是：提供一种基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法，尤其是实现一种虚拟网卡驱动程序，该驱动能支持与多进程间的并发通信，从而支持多隧道的建立，解决性能问题。通过对虚拟网卡驱动的修改实现：修改启动虚拟网卡的驱动操作，并在此基础之上，增加注册虚拟网卡实例的功能。以此基础来实现多进程或是多线程与虚拟网卡的并发数据交互，从而支持大并发量、大数据量的处理。
一种基于虚拟网卡技术的支持大并发量、大数据量的多隧道并发模型实现方法：建立隧道时，应用程序的处理进程获取虚拟地址，然后进行虚拟网卡使用实例的注册，建立与虚拟网卡通信的文件描述字；当虚拟网卡接收到协议栈转发的数据时，根据数据包的目的地址(即虚拟地址)，将数据包转发给相应的文件描述字，从而交由正确的处理进程进行处理；
每个进程处理一个隧道，一个隧道的处理过程可分为建立隧道、数据转发以及拆除隧道，具体步骤如下：
●建立隧道
客户端发送建立隧道请求，隧道网关的应用程序fork一个新的进程来处理该请求：
1)fork一个新的进程，处理客户端的建立TCP连接请求；
2)接收客户端的建立隧道请求；
3)选取一个未使用的虚拟地址，准备分配给客户端；
4)以该虚拟地址为关键IP，调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_REGISTER服务，完成虚拟网卡使用实例的注册；
5)返回给客户端隧道建立成功报文；
●数据转发
隧道建立成功后，隧道网关负责转发客户端与应用服务器之间的通信数据：
1)客户端将IP数据包封装入隧道报文，将隧道报文发送给隧道网关；
2)隧道网关处理进程接收到数据包后，解析隧道报文，提取其中封装的IP数据包，然后将IP数据包通过与虚拟网卡关联的文件描述字，提交给虚拟网卡驱动；
3)虚拟网卡驱动将数据包提交给协议栈，协议栈通过路由匹配，将数据包转发给应用服务器；
4)应用服务器将响应数据包发送给隧道网关；
5)隧道网关协议栈根据路由，将数据包传送给虚拟网卡；
6)虚拟网卡驱动根据数据包的目的地址(虚拟地址)，查看与其对应的虚拟网卡实例是否已经注册，如果已经注册，则唤醒相应的隧道网关处理进程读取数据；否则丢弃该数据包；
7)隧道网关处理进程读取数据之后，将其封装入隧道报文，发送给客户端；
●拆除隧道
当客户端断开tcp连接或是超时时，则需要拆除隧道连接，隧道网关将回收地址池分配出去的虚拟地址，并调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_UNREGISTER服务，进行虚拟网卡的虚拟实例的注销。
本发明的有益效果是：实现了基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型；解决了使用tun驱动的性能低下的问题，性能提升50％以上；虚拟网卡驱动的实现原理基本同tun驱动，本发明修改了启动虚拟网卡的驱动操作，并在此基础之上，增加了注册虚拟网卡实例的功能。
四、附图说明
图1是本发明关系图
图2是隧道建立过程示意图
图3是转发数据示意图
图4是隧道拆除过程示意图
五、具体实施方式
如图所示：基于虚拟网卡技术的支持大并发量、大数据量的多隧道并发模型实现方法：建立隧道时，应用程序的处理进程获取虚拟地址，进行虚拟网卡使用实例的注册，建立与虚拟网卡通信的文件描述字；当虚拟网卡接收到协议栈转发的数据时，根据数据包的目的地址(即虚拟地址)，将数据包转发给相应的文件描述字，从而交由正确的处理进程进行处理。
虚拟网卡驱动的实现过程如下：原理说明
1)启动虚拟网卡
启动虚拟网卡时，不再建立文件描述字与虚拟网卡的对应关系。虚拟网卡驱动只完成IP地址设置，路由设置等基本工作；
2)注册虚拟网卡使用实例
应用程序注册虚拟网卡使用实例时，以从地址分配模块获取的虚拟地址作为关键字，传送给虚拟网卡驱动；虚拟网卡驱动添加一个数据包接收缓存队列，创建一个文件描述字，并使得该文件描述字、添加的数据包接收缓存队列，关键字虚拟地址这三者相互关联；
3)数据转发
转发应用程序数据
虚拟网卡驱动接收到应用程序提交的数据时，只需简单的将数据包转交给系统协议栈，由协议栈进行下一步处理；
Figure G2009100338515D00032
转发协议栈数据
虚拟网卡驱动接收到系统协议栈提交的数据时，判断数据包的目的地址是否已注册了实例，没有则丢弃该数据包，否则将数据包加入相应的数据包接收队列；应用程序可以通过注册使用实例时建立的文件描述字，读取该数据包；
4)注销虚拟网卡使用实例
应用程序注销虚拟网卡使用实例时，以注册的虚拟地址作为关键字，传送给虚拟网卡驱动；虚拟网卡驱动释放资源，删除与该实例相关联的数据包接收缓存队列，关闭关联的文件描述字；
5)关闭虚拟网卡
虚拟网卡驱动停止服务，删除虚拟路由，虚拟网卡地址；
●宏定义
#define INSTANCE_MAX_NUM  1024             /*支持的最大实例数*/
Figure G2009100338515D00033
DUMMY_NET_DEV_REGISTER                     /*启动虚拟网卡*/
Figure G2009100338515D00034
DUMMY_NET_DEV_UNREGISTER                   /*关闭虚拟网卡*/
Figure G2009100338515D00035
DUMMY_INSTANCE_REGISTER                    /*注册实例*/
Figure G2009100338515D00036
DUMMY_INSTANCE_UNREGISTER                  /*注销实例*/
●数据结构定义
struct lsv_dev_struct_t{
unsigned long flags；
int            attached；
uid_t    owner；
wait_queue_head_t      read_wait[INSTANCE_MAX_NUM]；/*等待队列*/
struct sk_buff_head    readq[INSTANCE_MAX_NUM]；    /*网络缓冲区队列*/
struct net_device         *dev；    /*linux抽象网络设备结构*/
struct net_device_stats  stats；    /*网卡状态信息结构*/
struct fasync_struct     *fasync；  /*文件异步通知结构*/
unsigned long if_flags；
u8 dev_addr[ETH_ALEN]；
u32 chr_filter[2]；
u32 net_filter[2]；
}；
2.多隧道模型的实现过程：
客户端，隧道网关以及应用服务器的关系参见图1，多隧道模型实现包括系统初始化、建立隧道、数据转发以及拆除隧道：
●系统初始化
隧道网关应用程序初始化，建立TCP多进程服务模型，并打开虚拟网卡生成的字符设备，调用DUMMY_NET_DEV_REGISTER服务，启动虚拟网卡；
●建立隧道
客户端发送建立隧道请求，隧道网关的应用程序fork一个新的进程来处理该请求，可参见图2；
1)fork一个新的进程，处理客户端的建立TCP连接请求；
2)接收客户端的建立隧道请求；
3)选取一个未使用的虚拟地址，准备分配给客户端；
4)以该虚拟地址为关键IP，调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_REGISTER服务，完成虚拟网卡使用实例的注册；
5)返回给客户端隧道建立成功报文；
●数据转发
隧道建立成功后，隧道网关负责转发客户端与应用服务器之间的通信数据，可参见图3，具体过程如下：
1)客户端将IP数据包封装入隧道报文，将隧道报文发送给隧道网关；
2)隧道网关处理进程接收到数据包后，解析隧道报文，提取其中封装的IP数据包，然后将IP数据包通过与虚拟网卡关联的文件描述字，提交给虚拟网卡驱动；
3)虚拟网卡驱动将数据包提交给协议栈，协议栈通过路由匹配，将数据包转发给应用服务器；
4)应用服务器将响应数据包发送给隧道网关；
5)隧道网关协议栈根据路由，将数据包传送给虚拟网卡；
6)虚拟网卡驱动根据数据包的目的地址(虚拟地址)，查看与其对应的虚拟网卡实例是否已经注册，如果已经注册，则唤醒相应的隧道网关处理进程读取数据；否则丢弃该数据包；
7)隧道网关处理进程读取数据之后，将其封装入隧道报文，发送给客户端；
●拆除隧道
当客户端断开tcp连接或是超时时，则需要拆除隧道连接，隧道网关将回收地址池分配出去的虚拟地址，并调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_UNREGISTER服务，进行虚拟网卡的虚拟实例的注销。

Claims (1)

1.一种基于虚拟网卡技术的多隧道并发模型实现方法：建立隧道时，应用程序的处理进程获取虚拟地址，进行虚拟网卡使用实例的注册，建立与虚拟网卡通信的文件描述字；当虚拟网卡接收到协议栈转发的数据时，根据数据包的目的地址即虚拟地址，将数据包转发给相应的文件描述字，从而交由正确的处理进程进行处理；
其特征是每个进程处理一个隧道，一个隧道的处理过程分为建立隧道、数据转发以及拆除隧道，具体步骤如下：
●建立隧道
客户端发送建立隧道请求，隧道网关的应用程序fork一个新的进程来处理该请求：
1)fork一个新的进程，处理客户端的建立TCP连接请求；
2)接收客户端的建立隧道请求；
3)选取一个未使用的虚拟地址，准备分配给客户端；
4)以该虚拟地址为关键IP，调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_REGISTER服务，完成虚拟网卡使用实例的注册；
5)返回给客户端隧道建立成功报文；
●数据转发
隧道建立成功后，隧道网关负责转发客户端与应用服务器之间的通信数据：
1)客户端将IP数据包封装入隧道报文，将隧道报文发送给隧道网关；
2)隧道网关处理进程接收到数据包后，解析隧道报文，提取其中封装的IP数据包，然后将IP数据包通过与虚拟网卡关联的文件描述字，提交给虚拟网卡驱动；
3)虚拟网卡驱动将数据包提交给协议栈，协议栈通过路由匹配，将数据包转发给应用服务器；
4)应用服务器将响应数据包发送给隧道网关；
5)隧道网关协议栈根据路由，将数据包传送给虚拟网卡；
6)虚拟网卡驱动根据数据包的目的地址即虚拟地址，查看与其对应的虚拟网卡实例是否已经注册，如果已经注册，则唤醒相应的隧道网关处理进程读取数据；否则丢弃该数据包；
7)隧道网关处理进程读取数据之后，将其封装入隧道报文，发送给客户端；
●拆除隧道
当客户端断开TCP连接或是超时，则需要拆除隧道连接，隧道网关将回收地址池分配出去的虚拟地址，并调用虚拟网卡的DUMMY_INSTANCE_UNREGISTER服务，进行虚拟网卡的虚拟实例的注销。
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