CN102957600A

CN102957600A - 一种数据报文转发方法及装置

Info

Publication number: CN102957600A
Application number: CN2011102399084A
Authority: CN
Inventors: 郭红燕; 王日红; 靳海燕
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: WO2012151904A1; CN102957600B

Abstract

为了提高报文转发速度，本发明公开了一种数据报文转发方法及装置，该方法为：当网卡终端处理单元识别出网卡接收到一个数据包时，调用硬中断处理单元进行处理；硬中断处理单元申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区；确定该数据包是否满足转发条件；如果该数据包满足转发条件，则快速转发模块根据该数据报文的五元组信息索引设置的转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并利用硬件发送函数将fk_buff的数据区中的数据包转发；如果不满足转发条件，则将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。

Description

一种数据报文转发方法及装置

技术领域

本发明涉及Linux操作系统上的数据转发技术，特别是指一种数据报文转发方法及装置。

背景技术

IT行业的激烈竞争，产品价格的不断下跌，都对IT企业带来了严峻的挑战。大家都纷纷将目光投到低价的嵌入式(Linux)操作系统上，Linux的普及以及发展就此展开。对终端类的网络产品来说，Linux无疑是操作系统的一个很好的选择。

而且随着网络的发展，IP网络的使用越来越广泛，几乎每个人都有使用网络查询数据、电子邮件往返和玩联机游戏的经验。在这种情况下，用户对网速的要求也越来越高。

但是目前光网络接入终端中非本地产生数据包的路由过程包括数据包接收、数据包选路、数据包发送三个步骤。当网卡收到一个数据包，会产生一个硬中断，网卡中断处理函数会识别出接收到一个数据包并调用硬中断处理函数进行处理，硬中断处理函数申请一个sk_buff(sk_buff是Linux网络代码中的一个重要的数据结构，它表示接收或发送数据包的包头信息，并包含很多成员变量供网络代码中的各子系统使用)，然后将数据从网卡拷贝至sk_buff所分配的数据空间。数据包经过硬中断后到接收软中断，然后上协议栈(在协议栈上经过桥处理到IP分发，再寻找路由)，然后进QOS队列，再转给发送软中断，最后经硬件发送。至此，数据包离开本机，整个转发过程结束。

IP的路由过程经历了数据接收，转发寻路和数据发送三个过程，在一般情况下，一个连接的所有数据包都将使用同一路径进行转发，在CPU都需要上协议栈进行处理，严重降低了报文转发的速度。而且sk_buff的结构变量比较多，由于协议栈中的很多模块都使用它，创建这个结构时很多变量都需要初始化，在快速转发时很多变量都用不到但也会初始化。

发明内容

本发明提供一种数据报文转发方法及装置，用于快速提高数据包的转发速度。

本发明实施例提供了一种数据报文转发方法，包括：

当网卡终端处理单元识别出网卡接收到一个数据包时，通知硬中断处理单元进行处理；

硬中断处理单元申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区；确定该数据包是否满足转发条件；

如果该数据包满足转发条件，则快速转发模块根据该数据报文的五元组信息索引设置的转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并按照转发路径利用硬件发送函数将fk_buff的数据区中的数据包转发；

如果不满足转发条件，则将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。

本发明实施例提供的一种数据报文转发装置，包括：

网卡终端处理单元，识别出网卡接收到一个数据包时，通知硬中断处理单元网卡处理数据包；

硬中断处理单元，用于收到网卡收到数据包的通知时，申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区；确定该数据包是否满足转发条件；

快速转发单元，用于如果该数据包满足转发条件，则根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并按照转发路径利用硬件发送函数将fk_buff的数据区中的数据包转发；如果不满足转发条件，则将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。

本发明实施例中，网卡终端处理单元收到数据报文时，通知硬中断处理单元网卡处理数据包；硬中断处理单元收到网卡收到数据包的通知时，申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区；确定该数据包是否满足转发条件；如果该数据包满足转发条件，快速转发单元则根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并按照转发路径利用硬件发送函数将fk_buff的数据区中的数据包转发；如果不满足转发条件，则将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。采用这种方案，IP数据包的一个连接的所有数据包都使用同一路径进行转发，在连接的开始阶段记录下连接的转发路径，那么后续数据包的转发就可以提前进行，而不用每次都上传到协议栈的网络层去执行，因此，提高了报文转发速度。

附图说明

图1为本发明实施例的数据报文转发方法的流程示意图；

图2为fk_buff和sk_buff的对比示意图；

图3为本发明实施例转发表的具体的维护流程示意图；

图4为本发明实施例的快速转发路径的示意图；

图5为本发明实施例的数据报文转发装置的结构示意图。

具体实施方式

为了提高转发速度，本发明实施例收到数据报文时，获得该数据报文的五元组信息，并判断数据报文是否为转发报文；如果是转发报文，则按照保存的转发表中该五元组信息对应的转发路径转发该数据报文；如果不是转发报文，则获取将该数据报文进行协议栈处理后，获得该数据报文的路由信息，再按照该路由信息发送该数据报文。

参见图1所示，本发明实施例的数据报文转发方法包括以下步骤：

步骤101：当网卡终端处理单元识别出网卡接收到一个数据包时，调用硬中断处理单元进行处理。具体的，该网卡终端处理单元可以是网卡终端处理函数。

步骤102：硬中断处理单元申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区。硬中断处理单元可以是硬中断处理函数。

步骤103：硬中断处理单元确定该数据包是否满足转发条件；如果该数据包满足转发条件，则执行步骤104，否则，执行步骤105。

具体的，可以这样判断：确定该数据报文的五元组信息是否存在于转发表中，如果存在，则认为该数据报文为转发报文，否则，认为该数据报文为非转发报文。

步骤104：快速转发模块根据该数据报文的五元组信息索引设置的转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并按照转发路径将fk_buff的数据区中的数据包转发，结束。具体的利用硬件发送函数进行发送。

步骤105：快速转发模块将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。

在本发明实施例中使用的是只用于快速转发的fk_buff结构，用于数据包的接收、转发和发送。这样就进一步提高了IP数据包的转发速度。如果这个数据包并没有匹配到快速转发的规则，那么它可以直接作为sk-buffer的数据区，给IP协议栈使用。

参见表1所示，所述fk_buff数据存储结构包括：fk_buff使用者计数、是否作为sk_buff的数据区、存放数据包的起始指针、数据包长度、用于数据包头添加的预留字段、数据包。

表1

fk_buff是一种类似sk_buff的结构，但是小巧简洁得多，里面的成员只是在快速转发模块中用到，因此消耗很小，具体定义如表1所示。从表1可以看到，fk_buff字段很少，但足够快速转发模块使用，当数据包需要上协议栈时，fk_buff可以直接作为sk_buff的数据区，不增加协议栈处理时损耗。图2为fk_buff和sk_buff的对比示意图。

为了方便查找，所有表项组织成一个HASH链表，每个表项通过计算其五元组的HASH值，得出它所在HASH桶中头结点的位置，所有具有相同HASH值的表项处在同一个链表中，并与头结点链成一个循环链表，HASH算法应产生尽可能少的冲突，防止HASH链表蜕变成单链表，影响查找性能。

转发表中的转发表项是由五元组为关键字的表项组成，具体为五元组信息和转发路径的对应关系。而五元组信息包括：IP源地址、IP目的地址、源端口、目的端口和协议号。所述转发路径包括：路由信息，以太网头信息、虚拟局域网(VLAN)TAG字段信息和PPP头信息。

转发表项可以通过如下方式设置：在连接建立时连接跟踪机制被确认后，确定该连接的五元组信息对应的转发路径，并将确定的五元组信息对应的转发路径添加到转发表项中。

在步骤103获得对应的转发路径时，可以根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项获得对应的转发路径时，针对该转发表项设置使用标记。

而且，还可以进一步维护该转发表，转发表项的老化由连接跟踪机制的超时机制进行，连接跟踪机制在超时的时候先查询转发表项的使用情况，如果自上个查询以来没有使用过，则删除此表项，连接跟踪机制也一起删除。正常情况下可以在通过老化机制进行表项删除，还也可以通过连接跟踪机制下发的删除接口进行。

另外，快速发送函数可参照入队列函数(简单的做法是可直接调用入队列函数进行发送)，但是入队列函数中使用流量控制，如果没有使能流量控制，则可直接用于快速转发的发送。数据包发送失败而入队时，则启动定时器，当定时器超时，或是当数据发送完成产生中断时，则查询FIFO队列，如有数据包排队，则取出数据包发送。

参见图3所示，具体的维护过程如下：

步骤301：监控连接跟踪定时器超时，如果超时，则执行步骤302：

步骤302：确定转发表中的转发表项是否使用过，如果该转发表项使用过，则执行步骤303，否则，执行步骤304：

步骤303：清除使用标记，结束；

步骤304：删除该转发表项，结束。

图3所示流程是一种老化机制，这种老化方式在第一次查询转发表项时，如果确定转发表项为在使用，则清除使用标记，即标记为未使用，如果确定转发表项未使用则删除，并结果给调用者使用。

添加点的选择：五元组条目的添加应在连接跟踪机制已被添加进系统表(连接跟踪机制被确认)，并且路由被决定之后进行，添加表项时还需获得其以太网头信息、VLAN TAG字段和PPP头，则按照转发路径将fk_buff的数据区中的数据包转发时，将路由信息、以太网头信息、VLAN TAG字段信息和PPP头信息添加到fk_buff的数据区中的数据包中进行发送。所以获取这些信息的点在转发路径中在入队列函数之后，硬件发送函数之前进行，考虑到通用化，在入队列函数中进行五元组的添加比较合适。

五元组添加的条件：

(1)首先必须是一个经本地转发的路由连接，判断是否是被转发的连接可以在转发检查点之后进行，可以在转发检查点登记函数，对经过的缓存块打上标记，也可以检查缓存块的入设备的接口号判断是否转发的包，平台的做法是判断缓存块的入设备的接口号。

(2)其次，连接的连接跟踪机制上不能有帮助函数，因为这意味着连接跟踪机制需要处理数据包，所以不能被提前转发；

(3)连接必须是IP包或是PPP封装的IP包，其传输类型必须是TCP或UDP，对于TCP连接必须是已经建立连接的，这些可以判断协议类型和连接跟踪机制中的状态字段来得知。

(4)对于分片包，只从第一个分片包的缓存块中学习并获得五元组信息。这是由于分片的包，只有第一个包有五元组信息。

(5)对于本身是被快速转的数据包，则不再继续添加学习五元组。

转发包的查找过程：

可以被快速转发的包必须满足以下条件：

(1)必须是经本地路由转发的数据包，因此目的MAC地址不是本机的数据包不满足条件；

(2)必须是IPV4(暂不考虑IPV6)，或是PPP封装的IPV4；

(3)不能是被分片的数据包。由于分片的数据包可能没有五元组信息，无法定位是否要快速转发，虽然第一个分片包有五元组信息，但是为保持一致，所有分片包走同一个路径。

(4)必须是TCP或UDP的数据包；

(5)其五元组(IP源地址、IP目的地址、源端口、目的端口、协议号)在转发表中命中。

满足以上条件的数据包将利用转发表项中信息被快速转发，不满足条件的被送往协议栈。

转发包的发送过程：

转发包按照转发表项中的信息组装后将直接送往出口设备，需改变的字段包括：

(1)源MAC、目地MAC；

(2)对于SNAT，需改变源IP和源端口，DNAT需改变目地IP和目地端口；

(3)VLAN字段；

(4)另外，按需要添加或删除PPP头部信息。

参见图5所示，本发明实施例的一种数据报文转发装置，包括：

网卡中断处理单元51，识别出网卡接收到一个数据包时，通知硬中断处理单元网卡处理数据包；

硬中断处理单元52，用于收到网卡收到数据包的通知时，申请fk_buff数据存储结构，将该数据包从网卡中复制到fk_buff的数据区；确定该数据包是否满足转发条件；

快速转发单元53，用于如果该数据包满足转发条件，则根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项，获得对应的转发路径，并利用硬件发送函数将fk_buff的数据区中的数据包转发；如果不满足转发条件，则将fk_buff作为sk_buff的数据上传给协议栈处理。

进一步包括：路径管理单元54，用于在连接建立时连接跟踪机制被确认后，确定该连接的五元组信息对应的转发路径，并将确定的五元组信息对应的转发路径添加到转发表项中。

快速转发单元53，用于判断该数据报文的五元组信息是否存在于转发表中，如果存在，则认为该数据报文为转发报文，满足转发条件，否则，认为该数据报文为非转发报文，不满足转发条件。

所述路径管理单元54，用于在快速转发单元根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项获得对应的转发路径时，针对该转发表项设置使用标记。

所述路径管理单元54，用于如果连接跟踪定时器超时，则确定转发表中的转发表项是否使用过，如果该转发表项使用过，则清除使用标记，如果未使用过，则删除该转发表项。

关于转发表和fk_buff与上述方法中提及的相同，这里不再赘述。

本发明涉及一种Linux操作系统上IP数据包的软加速系统。具体实现光网络接入终端的软加速的方法和系统，从而加速三层报文在光网络接入终端中的转发速度，提高光网络接入终端的三层吞吐量。

本发明实施例方法实现报文转发的部分可以称为软加速模块。本发明软加速单元根据数据报文的五元组信息匹配情况，按照连接开始阶段记录的转发路径进行转发。IP数据包的一个连接的所有数据包都将使用同一路径进行转发，在连接的开始阶段记录下连接的转发路径，那么后续数据包的转发就可以提前进行，而不用每次都上传到协议栈的网络层去执行。参见图4所示，虚线为现有技术的转发过程，实现本发明实施例的转发过程，明显地，本发明的转发过程简单。根据快速转发路径，把数据包是否转发的决定提前到硬中断接收函数来决断，如果满足转发条件，则直接调用硬件发送函数将数据包转发出去。则可缩短转发路径。快速转发路径中的软加速处理模块由数据包转发查找、转发表和数据包发送组成。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种数据报文转发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述fk_buff数据存储结构包括：fk_buff使用者计数、是否作为sk_buff的数据区、存放数据包的起始指针、数据包长度、用于数据包头添加的预留字段、数据包。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述五元组信息包括：IP源地址、IP目的地址、源端口、目的端口和协议号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转发路径包括：路由信息，以太网头信息、VLAN TAG字段信息和PPP头信息，

则按照转发路径将fk_buff的数据区中的数据包转发，包括：

将路由信息、以太网头信息、VLAN TAG字段信息和PPP头信息添加到fk_buff的数据区中的数据包中进行发送。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转发表项通过如下方式设置：

在连接建立时连接跟踪机制被确认后，确定该连接的五元组信息对应的转发路径，并将确定的五元组信息对应的转发路径添加到转发表项中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断数据报文是否满足转发条件，包括：

判断该数据报文的五元组信息是否存在于转发表中，如果存在，则认为该数据报文为转发报文，满足转发条件，否则，认为该数据报文为非转发报文，不满足转发条件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项获得对应的转发路径时，针对该转发表项设置使用标记。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：

如果连接跟踪定时器超时，则确定转发表中的转发表项是否使用过，如果该转发表项使用过，则清除使用标记，如果未使用过，则删除该转发表项。

9.一种数据报文转发装置，其特征在于，该装置包括：

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述fk_buff数据存储结构包括：fk_buff使用者计数、是否作为sk_buff的数据区、存放数据包的起始指针、数据包长度、用于数据包头添加的预留字段和数据包。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述五元组信息包括：IP源地址、IP目的地址、源端口、目的端口和协议号。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述转发路径包括：路由信息、以太网头信息、VLAN TAG字段信息和PPP头信息，则按照转发路径将fk_buff的数据区中的数据包转发，包括：

13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括：

路径管理单元，用于在连接建立时连接跟踪机制被确认后，确定该连接的五元组信息对应的转发路径，并将确定的五元组信息对应的转发路径添加到转发表项中。

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，快速转发单元，用于判断该数据报文的五元组信息是否存在于转发表中，如果存在，则认为该数据报文为转发报文，满足转发条件，否则，认为该数据报文为非转发报文，不满足转发条件。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述路径管理单元，用于在快速转发单元根据该数据报文的五元组信息索引转发表中的转发表项获得对应的转发路径时，针对该转发表项设置使用标记。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述路径管理单元，用于如果连接跟踪定时器超时，则确定转发表中的转发表项是否使用过，如果该转发表项使用过，则清除使用标记，如果未使用过，则删除该转发表项。