CN103838517A - 一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法及系统，所述方法包含：步骤101）由上向下基于多核处理器分别设置如下各层：上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层；步骤102）所述上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统均能够访问多核处理器所管理的全部的内存物理地址空间，并将存储了多核处理器和磁盘阵列间待传输数据的内存的物理地址和所述传输数据长度封装在上述各层的核间消息中相互传递；其中，当上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统修改内存中存储的传输数据时，则修改上述各层核间消息中指向内存的指针位置和内存中数据的长度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多核处理器访问磁盘阵列数据的高速传输技术实现方法，具体涉及一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法及系统。
背景技术
随着计算机技术和网络技术的不断发展，传统单核处理器由于功耗、并发、散热等方面的问题已经不能满足新兴网络应用对处理器性能的需求，因此更加适合高并发、低延时网络应用的多核处理器逐渐被广泛应用。多核处理器使用并行的物理处理核心提高处理器的并发性，并且各个处理核心可以使用较低的主频以降低处理器功耗，而且多个低主频处理器在扩展性和实现难度上都明显优于通用处理器。所以，计算机网络技术中开始广泛的使用多核处理器来替代通用处理器。
在各类网络视频应用中，磁盘阵列设备都是必不可少的组成部分，尤其是基于iSCSI的磁盘阵列以其使用简单、性能突出等特性得到更加广泛的应用，因此针对多核处理器对iSCSI磁盘阵列的性能优化，是提升网络视频应用系统服务质量的关键之一。对iSCSI磁盘阵列的访问需要iSCSIHost端的配合，iSCSIHost端通常在通用操作系统中实现，而操作系统和上层应用之间的数据交互需要经过多次的数据拷贝，TCP/IP协议栈的数据收发也需要多次数据拷贝的支持，因此会降低iSCSI磁盘阵列的访问效率。
发明内容
本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法和系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的系统，其特征在于，所述的系统包含：设置于多核处理器上的由上向下的如下各层：上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层；
所述上层应用，用于使用磁盘阵列访问接口执行对iSCSI磁盘阵列的操作，且用于发起对磁盘阵列的数据写入和数据读取操作，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时由该上层应用层将数据链表中内存释放；
所述SCSI子系统层，用于负责完成上层应用的操作到SCSI命令字之间的相互转换，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
所述iSCSI子系统层，用于负责完成SCSI命令字到iSCSI命令字的相互转换以及iSCSI数据的封装和接卸，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
所述TCP/IP协议栈子系统层，用于负责完成iSCSI磁盘数据的发送和接收，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
其中，上述各层之间采用核间消息进行通信，该核间消息包含：存放数据或待存放数据的内存的物理地址和数据长度；当上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统修改物理内存中数据内容导致数据长度变化时，仅改变核间消息中指向内存的指针位置和内存中数据的长度。
上述上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层中的任意一层均运行于一个或多个处理器上的简单执行环境中。
上述TCP/IP协议栈子系统层与外部的iSCSI磁盘阵列连接进行数据交互。
基于上述系统，本发明还提供了一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，所述方法包含：
步骤101）上层应用发送对数据的请求信息，并由上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统中的某层为待处理的数据申请物理内存空间，并将请求信息和请求得到的物理内存空间的地址信息封转为核间信息传输至TCP/IP协议栈子系统；
步骤102）由TCP/IP协议栈子系统完成对iSCSI磁盘数据的发送和接收。
上述步骤101）进一步包含：
步骤101-1）上层应用向iSCSI磁盘阵列写入数据的步骤，具体为：
由上层应用将待存储的数据存入多核处理器分配的物理内存中；
将存储上述数据的物理内存的地址和存储的数据的长度信息封装为核间信息，该核间信息依次经由SCSI子系统层、iSCSI子系统层传输至TCP/IP协议栈子系统，并由TCP/IP协议栈子系统将核间信息封装为IP数据包发送至iSCSI磁盘阵列；
步骤101-2）上层应用读取iSCSI磁盘阵列的数据的步骤，具体为：
上层应用发起数据读取请求，并将该请求依次经由SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统传输后封装为IP数据包，再将IP数据包发送至iSCSI磁盘阵列；
由TCP/IP协议栈子系统层驱动多核处理器分配内存，该内存用于存储iSCSI磁盘阵列返回的数据，并将数据传送至应用层。
上述步骤101-1）进一步包含：
（101-1-1）上层应用根据待写入数据的长度申请内存，由多核处理器返回内存的物理地址，然后上层应用将待发送给磁盘阵列的数据先预存入多核处理器分配的内存中；
（101-1-2）上层应用将内存的物理地址和内存中数据的长度存储于核间消息中，并将核间系统提交给SCSI子系统；
（101-1-3）SCSI子系统生成SCSI命令字，将SCSI命令字、内存的物理地址和内存中数据长度存储于核间消息中，并将核间消息提交给iSCSI子系统；
（101-1-4）iSCSI子系统根据iSCSI协议申请内存填写iSCSI协议报文首部，并将iSCSI协议报头所在内存和待发送数据所在内存连接为链表，同时链表中还保存对应内存中数据的长度，然后iSCSI子系统将链表首指针填写到核间消息中发送给TCP/IP子系统；
（101-1-5）TCP/IP子系统根据TCP协议和IP协议申请内存填写TCP报文首部和IP包头，并依次发送IP包头和TCP报文首部所在内存中的数据、iSCSI协议报头所在内存中的数据、待发送数据所在物理内存中的数据，并释放上述内存。
上述步骤101-2）进一步包含：
(101-2-1)TCP/IP协议栈子系统按照IP数据包最大长度分配内存，接收网络上的IP数据包，解析数据包中的iSCSI报文，并将内存中存储iSCSI报文的起始物理地址和iSCSI报文长度提交给iSCSI子系统；
(101-2-2)iSCSI子系统根据iSCSI协议解析iSCSI报文，并将多个报文中iSCSI数据起始物理地址和数据长度连接为链表提交给SCSI子系统；
(101-2-3)SCSI子系统等待上层应用的数据读取命令，并将数据链表提交给上层应用；
(101-2-4)上层应用接收并处理数据后将数据链表中内存释放。
上述上层应用层、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层中的任意一层在某一时刻均能获得对多核处理器管理的物理内存中的一块内存的操作权限，使该内存被加锁、串行访问。
上述多核处理器管理的内存的物理地址空间是由0字节开始到内存最大容量字节结束的连续地址空间；且多核处理器将连续的地址空间分为多个内存池，每个内存池中保存多个地址连续且等长度的内存块；其中，上层应用和各个子系统层根据要使用的内存长度通过多核处理器获取内存的物理地址。
总之本发明提供的技术方案中的系统由上向下基于多核处理器分别设置如下各层：上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层；所述上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统均能够访问多核处理器所管理的全部的内存物理地址空间，并将存储了多核处理器和磁盘阵列间待传输数据的内存的物理地址和所述传输数据长度封装在上述各层的核间消息中相互传递；其中，当上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统修改内存中存储的传输数据时，则修改上述各层核间消息中指向内存的指针位置和内存中数据的长度。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
本发明设计的一种多核处理器访问磁盘阵列数据的高速传输技术，通过该技术在上层应用和iSCSI磁盘阵列之间实现数据的零拷贝高速传输，以最终实现多核处理器对iSCSI磁盘阵列的高效访问。
附图说明
图1是本发明中多核处理器上上层应用和各个子系统访问iSCSI磁盘阵列的原理图；
图2是本发明中上层应用向iSCSI磁盘阵列写入数据的运行流程图；
图3是本发明中上层应用从iSCSI磁盘阵列读取数据的运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供了一种多核处理器访问磁盘阵列数据的高速传输技术实现方法，具体为：一颗包含多个处理核心的多核处理器上，分别使用不同的处理核心运行上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统，上层应用通过SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统访问磁盘阵列，上层应用和SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统之间使用核间消息实现数据的零拷贝高速传输。上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统可以访问多核处理器所管理全部内存的物理地址空间，并将内存的物理地址和内存中数据长度封装在核间消息中相互传递，在传递消息和处理内存中数据时不对内存进行复制拷贝，仅改变指向内存的指针位置和内存中数据的长度；
上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统可以同时进行内存申请、释放操作，所有操作都由多核处理器硬件来完成，并由多核处理器硬件来保证操作的原子性，即任意时刻只有一个子系统可以获得对一块内存的操作权限，使该内存被加锁、串行访问；
多核处理器管理的地址空间是由0字节开始到内存最大容量字节结束的连续地址空间；
多核处理器将连续的地址空间分为多个内存池，每个内存池中保存多个地址连续、等长度的内存块，上层应用和各个子系统根据要使用的内存长度通过多核处理器硬件获取内存的物理地址；
由上层应用发起对磁盘阵列的数据写入和数据读取操作，在数据写入流程中由上层应用申请内存存储待写入数据，经过各个子系统后由TCP/IP子系统释放；在数据读取流程中由TCP/IP子系统申请内存存储待读取数据，经过各个子系统由上层应用接收处理数据，并最终释放内存；
由上层应用向磁盘阵列写入数据的步骤为：
（1）上层应用根据待写入数据的长度申请内存，由多核处理器返回内存的物理地址，上层应用将数据写入内存中；
（2）上层应用将内存的物理地址和内存中数据的长度存储于核间消息中，并将核间系统提交给SCSI子系统；
（3）SCSI子系统生成SCSI命令字，将SCSI命令字、内存的物理地址和内存中数据长度存储于核间消息中，并将核间消息提交给iSCSI子系统；
（4）iSCSI子系统根据iSCSI协议申请内存填写iSCSI协议报文首部，并将iSCSI协议报头所在内存和待发送数据所在内存连接为链表，同时链表中还保存对应内存中数据的长度，然后iSCSI子系统将链表首指针填写到核间消息中发送给TCP/IP子系统；
（5）TCP/IP子系统根据TCP协议和IP协议申请内存填写TCP报文首部和IP包头，并依次发送IP包头和TCP报文首部所在内存中的数据、iSCSI协议报头所在内存中的数据、待发送数据所在内存中的数据，并释放上述内存；
由上层应用从磁盘阵列读取数据的步骤为：
（1）TCP/IP协议栈子系统按照IP数据包最大长度分配内存，接收网络上的IP数据包，解析数据包中的iSCSI报文，并将内存中存储iSCSI报文的起始物理地址和iSCSI报文长度提交给iSCSI子系统；
（2）iSCSI子系统根据iSCSI协议解析iSCSI报文，并将多个报文中iSCSI数据数据起始物理地址和数据长度连接为链表提交给SCSI子系统；
（3）SCSI子系统等待上层应用的数据读取命令，并将数据链表提交给上层应用；
（4）上层应用接收并处理数据后将数据链表中内存释放。
实施例
实施例选用Cavium Networks公司的OCTEON系列处理器平台，使用OCTEON系列处理器平台提供的简单执行环境SE（Simple Executive）114作为本发明中上层应用和各个系统在多核处理器上的运行环境，提供核间消息传输机制和内存申请、释放管理机制。
运行于简单执行环境SE（Simple Executive）114上的上层应用101、SCSI子系统103、iSCSI子系统104和TCP/IP协议栈子系统110可运行在处理器的一个或多个处理核心上，并与iSCSI磁盘阵列112连接进行数据交互。上层应用101使用磁盘阵列访问接口102执行对iSCSI磁盘阵列112的操作；SCSI子系统103负责完成上层应用101的操作到SCSI命令字之间的相互转换；iSCSI子系统104负责完成SCSI命令字到iSCSI命令字的相互转换以及iSCSI数据的封装、接卸；TCP/IP协议栈子系统110负责完成iSCSI数据的发送和接收。
上层应用101向iSCSI磁盘阵列112写入数据的执行步骤是：
步骤201、上层应用101准备待写入磁盘阵列112的数据。
步骤202、上层应用101向多核处理器申请的简单执行环境SE（Simple Executive）114申请内存，存储待写入磁盘阵列112的数据，并将内存的物理地址和数据长度封装在核间消息中，提交给SCSI子系统103。
步骤203、SCSI子系统103封装SCSI命令字，封装为核间消息通知iSCSI子系统104。
步骤204、iSCSI子系统104通过SCSI命令转换层107将SCSI命令字转换为iSCSI命令字。
步骤205、iSCSI子系统104通过iSCSI协议解析层108处理iSCSI协议。
步骤206、iSCSI子系统104通过iSCSI协议栈交互层109将iSCSI命令字提交给TCP/IP协议栈子系统110。
步骤207、TCP/IP协议栈子系统110通过协议处理111模块封装TCP、IP包头。
步骤208、TCP/IP协议栈子系统110通过网卡驱动112将IP数据包发送到iSCSI磁盘阵列112，并依次返回执行结果。
上层应用101从iSCSI磁盘阵列113读取数据的执行步骤是：
步骤301、上层应用101向SCSI子系统发起数据读取申请。
步骤302、SCSI子系统103封装SCSI命令字，封装为核间消息通知iSCSI子系统104。
步骤303、iSCSI子系统104通过SCSI命令转换层107将SCSI命令字转换为iSCSI命令字。
步骤304、iSCSI子系统104通过iSCSI协议解析层108处理iSCSI协议。
步骤305、iSCSI子系统104通过iSCSI协议栈交互层109将iSCSI命令字提交给TCP/IP协议栈子系统110。
步骤306、TCP/IP协议栈子系统110通过协议处理111模块封装TCP、IP包头。
步骤307、TCP/IP协议栈子系统110通过网卡驱动112将IP数据包发送到iSCSI磁盘阵列112。
步骤308、TCP/IP协议栈子系统110通过网卡驱动112分配内存存储iSCSI磁盘阵列112返回的结果，并将结果依此返回给上层各个层面。
总之，本发明提供一种多核处理器访问磁盘阵列数据的高速传输技术实现方法，其特征在于：在一颗多核处理器上运行上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统，上层应用通过三个子系统访问磁盘阵列，上层应用和各个子系统之间使用核间消息实现数据的零拷贝高速传输。各个层面将内存的物理地址和内存中数据长度封装在核间消息中传递，在传递消息和处理内存中数据时不对内存进行复制拷贝，仅改变指向内存的指针位置和内存中数据的长度。上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统可以同时进行内存申请、释放操作，所有操作都由多核处理器硬件来完成，并保证操作的原子性。其技术优势在于：实现了多核处理器上运行的上层应用对磁盘阵列数据的高速访问机制，并利用该通道保证上层应用到磁盘阵列之间数据的零拷贝传输。
需要指出的是，以上所述仅为本发明在多核处理器访问磁盘阵列数据的高速传输技术实现方法中的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，具有专业知识基础的技术人员可以由以上实施实例实现本发明，因此凡是根据本发明的精神和原则之内所做的任何的变化、修改与改进，都被本发明的专利范围所覆盖。
Claims (9)
1.一种用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的系统，其特征在于，所述的系统包含：设置于多核处理器上的由上向下的如下各层：上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层；
所述上层应用，用于使用磁盘阵列访问接口执行对iSCSI磁盘阵列的操作，且用于发起对磁盘阵列的数据写入和数据读取操作，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时由该上层应用层将数据链表中内存释放；
所述SCSI子系统层，用于负责完成上层应用的操作到SCSI命令字之间的相互转换，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
所述iSCSI子系统层，用于负责完成SCSI命令字到iSCSI命令字的相互转换以及iSCSI数据的封装和接卸，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
所述TCP/IP协议栈子系统层，用于负责完成iSCSI磁盘数据的发送和接收，当数据写入时用于申请存储数据的物理内存，当数据读取时将数据链表中内存释放；
其中，上述各层之间采用核间消息进行通信，该核间消息包含：存放数据或待存放数据的内存的物理地址和数据长度；当上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统修改物理内存中数据内容导致数据长度变化时，仅改变核间消息中指向内存的指针位置和内存中数据的长度。
2.根据权利要求1所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的系统，其特征在于，所述上层应用、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层中的任意一层均运行于一个或多个处理核心上的简单执行环境中。
3.根据权利要求1所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的系统，其特征在于，所述TCP/IP协议栈子系统层与外部的iSCSI磁盘阵列连接进行数据交互。
4.一种基于权利要求1-3所述系统的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，所述方法包含：
步骤101）上层应用发送对数据的请求信息，并由上层应用、SCSI子系统、iSCSI子系统和TCP/IP协议栈子系统中的某层为待处理的数据申请物理内存空间，并将请求信息和请求得到的物理内存空间的地址信息封转为核间信息传输至TCP/IP协议栈子系统；
步骤102）由TCP/IP协议栈子系统完成对iSCSI磁盘数据的发送和接收。
5.根据权利要求4所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，其特征在于，所述步骤101）进一步包含：
步骤101-1）上层应用向iSCSI磁盘阵列写入数据的步骤，具体为：
由上层应用将待存储的数据存入多核处理器分配的物理内存中；
将存储上述数据的物理内存的地址和存储的数据的长度信息封装为核间信息，该核间信息依次经由SCSI子系统层、iSCSI子系统层传输至TCP/IP协议栈子系统，并由TCP/IP协议栈子系统将核间信息封装为IP数据包发送至iSCSI磁盘阵列；
步骤101-2）上层应用读取iSCSI磁盘阵列的数据的步骤，具体为：
上层应用发起数据读取请求，并将该请求依次经由SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统传输后封装为IP数据包，再将IP数据包发送至iSCSI磁盘阵列；
由TCP/IP协议栈子系统层驱动多核处理器分配内存，该内存用于存储iSCSI磁盘阵列返回的数据，并将数据传送至应用层。
6.根据权利要求5所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，其特征在于，所述步骤101-1）进一步包含：
（101-1-1）上层应用根据待写入数据的长度申请内存，由多核处理器返回内存的物理地址，然后上层应用将待发送给磁盘阵列的数据先预存入多核处理器分配的内存中；
（101-1-2）上层应用将内存的物理地址和内存中数据的长度存储于核间消息中，并将核间系统提交给SCSI子系统；
（101-1-3）SCSI子系统生成SCSI命令字，将SCSI命令字、内存的物理地址和内存中数据长度存储于核间消息中，并将核间消息提交给iSCSI子系统；
（101-1-4）iSCSI子系统根据iSCSI协议申请内存填写iSCSI协议报文首部，并将iSCSI协议报头所在内存和待发送数据所在内存连接为链表，同时链表中还保存对应内存中数据的长度，然后iSCSI子系统将链表首指针填写到核间消息中发送给TCP/IP子系统；
（101-1-5）TCP/IP子系统根据TCP协议和IP协议申请内存填写TCP报文首部和IP包头，并依次发送IP包头和TCP报文首部所在内存中的数据、iSCSI协议报头所在内存中的数据、待发送数据所在物理内存中的数据，并释放上述内存。
7.根据权利要求5所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，其特征在于，所述步骤101-2）进一步包含：
(101-2-1)TCP/IP协议栈子系统按照IP数据包最大长度分配内存，接收网络上的IP数据包，解析数据包中的iSCSI报文，并将内存中存储iSCSI报文的起始物理地址和iSCSI报文长度提交给iSCSI子系统；
(101-2-2)iSCSI子系统根据iSCSI协议解析iSCSI报文，并将多个报文中iSCSI数据起始物理地址和数据长度连接为链表提交给SCSI子系统；
(101-2-3)SCSI子系统等待上层应用的数据读取命令，并将数据链表提交给上层应用；
(101-2-4)上层应用接收并处理数据后将数据链表中内存释放。
8.根据权利要求4或5所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，其特征在于，所述上层应用层、SCSI子系统层、iSCSI子系统层和TCP/IP协议栈子系统层中的任意一层在某一时刻均能获得对多核处理器管理的物理内存中的一块内存的操作权限，使该内存被加锁、串行访问。
9.根据权利要求8所述的用于传输多核处理器和磁盘阵列间数据的方法，其特征在于，所述多核处理器管理的内存的物理地址空间是由0字节开始到内存最大容量字节结束的连续地址空间；且多核处理器将连续的地址空间分为多个内存池，每个内存池中保存多个地址连续且等长度的内存块；
其中，上层应用和各个子系统层根据要使用的内存长度通过多核处理器获取内存的物理地址。
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