CN101707590A - 基于零拷贝方式的tcp/ip协议报文发送方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法和装置,其中,该方法包括:在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息;网卡将用户传递的TCP/IP协议报文存储在发送报文直接内存访问数据缓冲区中;网卡根据TCP/IP协议报文更新发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及网卡根据报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。本发明不需要占用CPU资源,并且不需要进行数据拷贝操作,可以明显地加快报文的构造及发送速度,满足了高流量下的报文发送应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其涉及一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法和装置。
背景技术
在使用开源软件libnet接口库进行TCP/IP协议报文发送时,用户需要调用不同的函数分别对MAC报文、IP报文、TCP报文、IP报文选项、TCP报文选项、应用数据等进行构造,这些函数将报文数据拷贝后存储在数据缓冲区中。当报文被确认进行发送时,需要重新将数据缓冲区中的数据进行重组,并再次拷贝数据。这种方式无法满足高流量的报文发送应用环境。
相关技术中提供了一种零拷贝网络报文发送方法,属于把用户空间内存直接映射为网卡DMA缓冲区的零拷贝方法领域。采用如下操作步骤:A、打开设备接口;B、在用户空间内存中申请一片报文缓冲区;C、构造缓冲区控制结构;D、通过内存映射得到缓冲区控制结构中的信息;E.把发送的报文数据直接DMA传送到报文发送缓冲区中;F、应用程序处理报文数据。
但是,上述技术只能发送固定格式TCP/IP协议报文数据,即用户需要将发送数据连续地存储在DMA报文发送缓冲区中。这样,就要求用户预先构造好发送的数据报文。
发明内容
针对相关技术中存在的一个或多个问题,本发明的目的在于提供一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法和装置,以解决上述问题中的至少之一。
为实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法,该方法包括以下步骤:在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息;网卡将用户传递的TCP/IP协议报文存储在发送报文直接内存访问数据缓冲区中;网卡根据TCP/IP协议报文更新发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及网卡根据报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
优选地,可以根据需要预先确定预定字段的长度。用于存储控制信息的预定字段的长度可以为8位或16位,也可以为所需的其他长度。
优选地,控制信息可以包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
优选地,可以调用接口函数分别构造控制信息,并且通过接口函数维护报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
为实现上述目的,根据本发明的一个方面,还提供了一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送装置,该装置包括:报文存储单元,用于在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息,将用户传递的TCP/IP协议报文存储在发送报文直接内存访问数据缓冲区中,并且根据TCP/IP协议报文更新发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及报文发送单元,用于根据报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
优选地,在TCP/IP协议报文发送装置中,可以根据需要预先确定预定字段的长度。用于存储控制信息的预定字段的长度可以为8位或16位,也可以为其他位数。
优选地,控制信息包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
优选地,可以调用接口函数分别构造控制信息,并且通过接口函数维护报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
本发明中,可以通过使用类似于libnet接口库中报文发送函数的零拷贝实现接口,用户不需要预先构造发送的数据报文,只需要根据实际情况调用相关的接口函数就可以将数据报文构造好。
借助本发明上述至少一个技术方案,通过在发送报文直接内存访问数据缓冲区中保留用于存储控制信息的字段,并根据所接收到的报文来更新控制字段,以利用控制字段发送报文,使得网卡在接收到TCP/IP报文时能够将报文存储在不连续的内存空间中,在发送报文时,通过控制字段直接重新组合成连续的报文后将报文发送出去,解决的现有技术中只能发送固定格式的TCP/IP协议报文数据的缺陷,并且在发送报文时不需要预先构造发送的数据报文,而是可以直接组合报文后将报文发送出去,以上操作均由网卡进行处理,不需要占用CPU资源,并且不需要进行数据拷贝操作,可以明显地加快报文的构造及发送速度,满足了高流量下的报文发送应用需求。
附图说明
图1是根据本发明的基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法的流程图;以及
图2是根据本发明的基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送装置的框图。
具体实施方式
功能概述
考虑到相关技术中存在的的问题,本发明提出一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法和装置,通过在发送报文直接内存访问数据缓冲区中保留用于存储控制信息的字段,并根据所接收到的报文来更新控制字段,以利用控制字段发送报文.使得网卡在接收到TCP/IP报文时能够将报文存储在不连续的内存空间中,在发送报文时,通过控制字段直接重新组合成连续的报文后将报文发送出去,解决的现有技术中只能发送固定格式的TCP/IP协议报文数据的缺陷,并且在发送报文时不需要预先构造发送的数据报文,而是可以直接组合报文后将报文发送出去,以上操作均由网卡进行处理,不需要占用CPU资源,并且不需要进行数据拷贝操作,可以明显地加快报文的构造及发送速度,满足了高流量下的报文发送应用需求.
图1是根据本发明的基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法。如图1所示,该方法包括以下步骤:
步骤102,在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息;
步骤104,网卡将用户传递的TCP/IP协议报文存储在发送报文直接内存访问数据缓冲区中;
步骤106,网卡根据TCP/IP协议报文更新发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及
步骤108,网卡根据报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
在该方法中,可以根据需要预先确定预定字段的长度。用于存储控制信息的预定字段的长度可以为8位或16位,也可以为所需的其他长度。
控制信息可以包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
用户可以调用接口函数分别构造控制信息,并且通过接口函数维护报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
当头部中保留的字段为8字节的情况下,包括的字段有:
版本号:4位
控制信息长度:4位
控制信息字段InfoDesc:16位
IP报文长度字段IpLen:8位
TCP报文长度字段TcpLen:8位
报文总长度PktsLen:16位
保留字段:8位
InfoDesc字段中各位的意义如下:
1、Bit0表示数据链路类型,0表示以太类型,1表示原始IP类型,即不存在以太报文头Ethernet(以太网)字段。
2、Bit1表示数据报文类型TCP或UDP,0表示TCP,1表示UDP。
3、Bit2-Bit3为保留位。
4、Bit4表示是否存在Ipv4 Options字段。0表示不存在,1表示存在。
5、Bit5表示是否存在TCP Options字段。0表示不存在,1表示存在。
6、Bit6表示TCP/UDP报文数据与Ipv4 Options是否连续存储。当Ipv4 Options字段存在时,如果此位为1,表示Ipv4报文选项与随后的TCP/UDP报文数据是连续的,不需要硬件再做特殊处理.
Bit7表示Payload数据与TCP Options是否连续存储。当Tcp Options字段存在时,如果此位为1,表示报文选项与随后的Payload数据是连续的,不需要硬件再做特殊处理。
7、Bit8表示是否长报文,0表示正常报文,不需要分片。1表示硬件在发送报文时,需要进行报文分片操作。
8、Bit9-Bit11为保留位。
9、Bit12表示软件是否已经计算了TCP/UDP报文的checksum(检验和),0表示没有,硬件需要计算TCP/UDP报文的checksum。1表示软件已经计算过了。
10、Bit13表示软件是否已经计算了IP报文的checksum,0表示没有,硬件需要计算IP报文的checksum。1表示软件已经计算过了。
11、Bit14-Bit15为保留位。
12、IpLen字段表示IP报文头(包含选项)的长度。当报文中不存在Ipv4 Options时,硬件不应该使用此字段。
13、TcpLen字段表示TCP报文头(包含选项)的长度。当报文中不存在TCP Options时,硬件不应该使用此字段。
14、PktsLen字段表示数据报文的总长度(Ethernet+Ipv4+Ipv4Options+(TCP+Tcp Options)/UDP+PayLoad)。
具体地,可以将用户通过接口传递的MAC报文、IP报文、TCP报文、IP报文选项、TCP报文选项、应用数据等存储在发送报文DMA数据缓冲中。根据用户传递的报文信息,更新头部控制信息相关字段。
例如,TCP数据报文存储如下表所示:
注:虚线表示的字段可以省略
例如,UDP数据报文存储如下表所示:
注:虚线表示的字段可以省略
报文在缓冲区中可能并不是连续存储的,如上表所示。网卡在发送时,根据缓冲区头部的控制信息,对报文中Ethernet(以太网)、Ipv4、Ipv4 Options(Ipv4选项)、(TCP+Tcp Options)/UDP、PayLoad(负载)部分重新排列组合成连续的报文后进行发送操作。
用户不需要将Ethernet、Ipv4、Ipv4 Options、(TCP+TcpOptions)/UDP、PayLoad各部分组合在一起后,再通过零拷贝方式发送。用户可以自由地调用接口函数分别构造Ethernet、Ipv4、Ipv4 Options、(TCP+Tcp Options)/UDP、PayLoad,接口函数本身维护报文头部的控制字段,以达到网卡根据这些信息,可以重新排列组合成连续的报文。
图2是根据本发明的基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送装置。如图2所示,本发明的基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送装置可以集成在网卡中,该装置200包括:报文存储单元202,用于在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息,将用户传递的TCP/IP协议报文存储在发送报文直接内存访问数据缓冲区中,并且根据TCP/IP协议报文更新发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及报文发送单元204,用于根据报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
在TCP/IP协议报文发送装置中,可以根据需要预先确定预定字段的长度。用于存储控制信息的预定字段的长度可以为8位或16位,也可以为所需的其他位数。
其中,控制信息包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
用户可以调用接口函数分别构造控制信息,并且通过接口函数维护报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
本发明中,可以通过使用类似于libnet接口库中报文发送函数的零拷贝实现接口,用户不需要预先构造发送的数据报文,只需要根据实际情况调用相关的接口函数就可以将数据报文构造好。
综上所述,借助本发明上述至少一个技术方案,通过采用本发明,(1)网卡发送TCP/IP协议报文数据,不需要占用CPU资源,并且不需要进行数据拷贝操作;(2)不再要求用户预先构造好发送的数据报文,用户可以使用类似于libnet接口库中报文发送函数的零拷贝实现接口,构造各种各样的TCP/IP协议报文数据;以及(3)可以明显地加快报文的构造及发送速度,满足了高流量下的报文发送应用需求。
显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化.凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内.
Claims (10)
1.一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送方法,其特征在于,包括:
在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息;
网卡将用户传递的TCP/IP协议报文存储在所述发送报文直接内存访问数据缓冲区中;
网卡根据所述TCP/IP协议报文更新所述发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及
网卡根据所述报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的所述控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据需要预先确定所述预定字段的长度。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述用于存储控制信息的预定字段的长度为8位或16位。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述控制信息包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,调用接口函数分别构造所述控制信息,并且通过接口函数维护所述报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
6.一种基于零拷贝方式的TCP/IP协议报文发送装置,其特征在于,包括:
报文存储单元,用于在发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中保留预定字段用于存储控制信息,将用户传递的TCP/IP协议报文存储在所述发送报文直接内存访问数据缓冲区中,并且根据所述TCP/IP协议报文更新所述发送报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息;以及
报文发送单元,用于根据所述报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的所述控制信息,将所保存的TCP/IP协议报文重新组合成连续的报文后发送出去。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,根据需要预先确定所述预定字段的长度。
8.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述用于存储控制信息的预定字段的长度为8位或16位。
9.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述控制信息包括以下至少一种信息:链路类型、报文类型、是否存在Ipv4选项字段的信息、是否存在TCP选项字段的信息、TCP/UDP报文数据与Ipv4报文选项是否连续存储的信息、负载数据和TCP选项是否连续存储的字段、是否为长报文的信息、是否计算了TCP/UDP报文的检验和的信息、是否计算了IP报文的检验和的信息、IP报文头长度、TCP报文头长度、以及数据报文的总长度。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,调用接口函数分别构造所述控制信息,并且通过接口函数维护所述报文直接内存访问数据缓冲区的头部中的控制信息。
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