CN113098955B - 一种数据传输方法、装置、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据传输方法，该方法包括以下步骤：当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。应用本发明所提供的数据传输方法，整个数据传输过程仅在用户空间中进行即可，较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率。本发明还公开了一种数据传输装置、设备及存储介质，具有相应技术效果。

Description

一种数据传输方法、装置、设备及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，特别是涉及一种数据传输方法、装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
随着互联网技术的发展，很多服务由线下转为线上，在服务端为客户端提供服务的过程中需要进行大量的数据传输。
现有技术中，客户端与服务端进行数据传输时，从内核空间申请内存，待传输的数据先从数据发送端的用户空间传输到数据发送端的内核空间，再从数据发送端的内核空间传输到数据接收端的用户空间，最后从数据接收端的用户空间传输到数据接收端的内核空间，从而完成整个数据传输过程。内核空间占用多，数据传输效率低。
综上所述，如何有效地解决现有的数据传输方式内核空间占用多，数据传输效率低等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种数据传输方法，该方法较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率；本发明的另一目的是提供一种数据传输装置、设备及计算机可读存储介质。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种数据传输方法，包括：
当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；
调用IOCTL函数从所述用户空间中查找所述目标地址对应的目标物理地址空间；
按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作，包括：
利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作，包括：
从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字；
通过所述目标套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，在通过所述目标空闲套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作之后，还包括：
判断所述目标数据是否传输完成；
若是，则对所述目标套接字进行释放操作。
一种数据传输装置，包括：
地址获取模块，用于当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；
空间查找模块，用于调用IOCTL函数从所述用户空间中查找所述目标地址对应的目标物理地址空间；
数据传输模块，用于按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，所述数据传输模块具体为利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作的模块。
在本发明的一种具体实施方式中，所述数据传输模块包括：
套接字选取子模块，用于从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字；
数据传输子模块，用于通过所述目标套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
判断模块，用于在通过所述目标空闲套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作之后，判断所述目标数据是否传输完成；
套接字释放子模块，用于当确定所述目标数据传输完成时，对所述目标套接字进行释放操作。
一种数据传输设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前所述数据传输方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述数据传输方法的步骤。
本发明所提供的数据传输方法，当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。通过预先将内核空间映射到用户空间，得到映射后的目标地址，当需要进行数据传输时，获取目标地址，并依据目标地址在用户空间直接查找对应的目标物理地址空间，按照目标物理地址空间进行数据传输。本发明提供的数据传输方式，整个数据传输过程仅在用户空间中进行即可，较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率。
相应的，本发明还提供了与上述数据传输方法相对应的数据传输装置、设备和计算机可读存储介质，具有上述技术效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中数据传输方法的一种实施流程图；
图2为本发明实施例中数据传输方法的另一种实施流程图；
图3为现有技术中一种部署硬件协议栈的终端的结构框图；
图4为本发明实施例中数据传输系统的一种结构框图；
图5为本发明实施例中数据传输系统的另一种结构框图；
图6为本发明实施例中一种数据传输装置的结构框图；
图7为本发明实施例中一种数据传输设备的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
参见图1，图1为本发明实施例中数据传输方法的一种实施流程图，该方法可以包括以下步骤：
S101：当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址。
预先采用mmap函数将内核空间的内存地址、PCTe设备的地址等映射到用户层的进程地址空间，从而使得DMA寄存器和TCP寄存器均在用户空间实现。当客户端用户层接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址。从而得到用户空间与内核空间的地址偏移量。
目标数据可以是需要从客户端传输至服务端的任一数据，也可以是需要从服务端传输至客户端的任一数据。
S102：调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间。
在获取到从内核空间映射到用户空间的目标地址之后，调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间。从而直接从用户空间中获取到用于数据传输的目标物理地址空间。
S103：按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
在从用户空间中查找到目标地址对应的目标物理地址空间之后，按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。本发明通过将数据传输驱动在用户空间实现，与通常情况在内核态下实现的驱动有很大不同，整个数据传输过程仅在用户空间中进行即可，较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率。
本发明所提供的数据传输方法，当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。通过预先将内核空间映射到用户空间，得到映射后的目标地址，当需要进行数据传输时，获取目标地址，并依据目标地址在用户空间直接查找对应的目标物理地址空间，按照目标物理地址空间进行数据传输。本发明提供的数据传输方式，整个数据传输过程仅在用户空间中进行即可，较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率。
需要说明的是，基于上述实施例一，本发明实施例还提供了相应的改进方案。在后续实施例中涉及与上述实施例一中相同步骤或相应步骤之间可相互参考，相应的有益效果也可相互参照，在下文的改进实施例中不再一一赘述。
实施例二：
参见图2，图2为本发明实施例中数据传输方法的另一种实施流程图，该方法可以包括以下步骤：
S201：当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址。
S202：调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间。
S203：从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字。
客户端采用硬件寄存器配置，可以设置多个套接字(Socket)寄存器，并对应设置相应个数的套接字。从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字。
如可以设置为32个，并将各套接字寄存器与各收/发缓存区对应设置，可以将每个套接字寄存器的收/发缓存区设置于一个128KB的物理收/发内存中，初始化分配为4KB。一个128KB发送内存用于Socket_n的发送缓存区，以及一个128KB的接收内存用于Socket_n接收缓存区。发送初始缓存被分配给了每个套接字寄存器发送缓存(4KB*32＝128KB)，初始化分配的4KB套接字寄存器发送缓存，可以通过使用套接字发送缓存大小寄存器重新分配。
通过设置多路套接字，大大提高了多任务多进程的网络业务数据处理能力，提高了数据传输效率。
S204：利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，通过目标套接字按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
参见图3，图3为现有技术中一种部署硬件协议栈的终端的结构框图。由图3可知，现有技术中客户端和服务端的主控芯片一般为微处理器MCU，通过SPI总线连接硬件协议栈芯片，此芯片一般选用IC芯片，芯片内部集成了TCP/IP协议栈、MAC、PYH，最后连接RJ45网络接口。现有的数据传输系统存在一定的缺陷，首先，在现有方案中主处理器仅仅局限于微处理器MCU，对于资源有限的嵌入式处理器尚可，并不适用于高性能的CPU，如X86 CPU处理器。其次，微处理器MCU与TCP协议栈芯片之间采用的SPI总线进行连接，SPI总线数据传输速率相对有限，而对于高速的数据传输，例如视频流等，在传输速率上会有明显的不足。再者，此方案集成的网卡速率仅支持100/10M，不能达到千兆级的速度，在现实的应用场景中使用时也会受到速率上局限性的影响。
参见图4，图4为本发明实施例中数据传输系统的一种结构框图。本发明提供的数据传输系统，客户端包含HOST PC主机和FPGA板卡设备，二者通过PCIe总线相连，服务端也为一个PC机，客户端与服务端通过网线进行数据的收发传输与通信。根据PCIe协议标准，使用PCIe的设备有两种模式，分别为RC和EP，HOST主机CPU处理器端使用PCIe的RC模式，外部FPGA板卡设备端使用PCIe的EP模式，本发明实现的驱动是运行在X86CPU架构上，属于HOST处理器上PCIe的RC侧驱动。而由于集成硬件TCP协议栈FPGA板卡使用的PCIe接口，属于外部设备，因此FPGA板卡属于PCIe的EP模式。在设备端FPGA板卡上由于没有操作系统加载，所以无需为FPGA板卡设计PCIe的EP模式的驱动。
参见图5，图5为本发明实施例中数据传输系统的另一种结构框图。将硬件TCP/IP协议栈逻辑集成在一块FPGA板卡上，以太网协议的内核由传输层的TCP、UDP、ICMP、IGMP等协议，网络层的IP，ARP，PPPoE等协议以及链路层的MAC构成，再加上物理层的PHY和外围的寄存器，内存，PCIe接口组成了这一套硬件化的以太网解决方案。这套硬件TCP/IP协议栈代替了以往的主控CPU芯片处理器来处理这些中断请求，即主控处理器只需要处理面向用户的应用层数据即可，传输层、网络层、链路层以及物理层全部由硬件逻辑电路来实现。
此卡为PCIe接口，板卡内部的硬件逻辑还集成了一个DMA引擎，其中协议栈以太网数据链路层(MAC)及物理层(PHY)支持10/100/1000M自协商功能。此PCIe板卡支持热插拔，可插在64位x86的CPU主板上运行。使用此板卡只需要一些简单的套接字编程就能实现以太网应用，相较于其他嵌入式以太网方案，更加快捷、简便。本发明使用的PCIe3.0标准接口协议，数据传输速率很高，从而能够更好的实现高速网络通讯。
在选取得到目标套接字之后，利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，通过目标套接字按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
S205：判断目标数据是否传输完成，若是，则执行步骤S206，若否，则不做处理。
在通过目标套接字按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作之后，判断目标数据是否传输完成，若是，则执行步骤S206，若否，则不做处理。
S206：对目标套接字进行释放操作。
当确定目标数据传输完成时，对目标套接字进行释放操作。通过对执行完相应任务的目标套接字进行及时释放，将释放得到的套接字用于后续的数据传输任务。使得各套接字能够循环使用，提高了系统的数据传输的并行度。
本实施例区别于独立权利要求1所要求保护的技术方案对应的实施例一，还增加了从属权利要求2至4对应要求保护的技术方案，当然，根据实际情况和要求的不同，可将各从属权利要求对应要求保护的技术方案在不影响方案完整性的基础上进行灵活组合，以更加符合不同使用场景的要求，本实施例只是给出了其中一种包含方案最多、效果最优的方案，因为情况复杂，无法对所有可能存在的方案一一列举，本领域技术人员应能意识到根据本申请提供的基本方法原理结合实际情况可以存在很多的例子，在不付出足够的创造性劳动下，应均在本申请的保护范围内。
实施例三：
相应于上面的方法实施例，本发明还提供了一种数据传输装置，下文描述的数据传输装置与上文描述的数据传输方法可相互对应参照。
参见图6，图6为本发明实施例中一种数据传输装置的结构框图，该装置可以包括：
地址获取模块61，用于当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；
空间查找模块62，用于调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；
数据传输模块63，用于按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
本发明所提供的数据传输装置，当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。通过预先将内核空间映射到用户空间，得到映射后的目标地址，当需要进行数据传输时，获取目标地址，并依据目标地址在用户空间直接查找对应的目标物理地址空间，按照目标物理地址空间进行数据传输。本发明提供的数据传输方式，整个数据传输过程仅在用户空间中进行即可，较大地释放了内核空间，提高了数据传输效率。
在本发明的一种具体实施方式中，数据传输模块64具体为利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作的模块。
在本发明的一种具体实施方式中，数据传输模块64包括：
套接字选取子模块，用于从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字；
数据传输子模块，用于通过目标套接字按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
在本发明的一种具体实施方式中，该装置还可以包括：
判断模块，用于在通过目标空闲套接字按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作之后，判断目标数据是否传输完成；
套接字释放子模块，用于当确定目标数据传输完成时，对目标套接字进行释放操作。
实施例四：
相应于上面的方法实施例，参见图7，图7为本发明所提供的数据传输设备的示意图，该设备可以包括：
存储器71，用于存储计算机程序；
处理器72，用于执行上述存储器71存储的计算机程序时可实现如下步骤：
当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
对于本发明提供的设备的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。
实施例五：
相应于上面的方法实施例，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现如下步骤：
当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；调用IOCTL函数从用户空间中查找目标地址对应的目标物理地址空间；按照目标物理地址空间对目标数据进行传输操作。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对于本发明提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种数据传输方法，其特征在于，包括：
当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；
调用IOCTL函数从所述用户空间中查找所述目标地址对应的目标物理地址空间；
按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作；
所述按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作，包括：
从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字；
通过所述目标套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作，包括：
利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
3.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，在通过所述目标空闲套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作之后，还包括：
判断所述目标数据是否传输完成；
若是，则对所述目标套接字进行释放操作。
4.一种数据传输装置，其特征在于，包括：
地址获取模块，用于当接收到待传输的目标数据时，调用mmap函数获取从内核空间映射到用户空间的目标地址；
空间查找模块，用于调用IOCTL函数从所述用户空间中查找所述目标地址对应的目标物理地址空间；
数据传输模块，用于按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作；
所述数据传输模块包括：
套接字选取子模块，用于从预配置的套接字集合的各空闲套接字中选取目标套接字；
数据传输子模块，用于通过所述目标套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作。
5.根据权利要求4所述的数据传输装置，其特征在于，所述数据传输模块具体为利用基于PCIe接口的硬件协议栈驱动网卡，按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作的模块。
6.根据权利要求4所述的数据传输装置，其特征在于，还包括：
判断模块，用于在通过所述目标空闲套接字按照所述目标物理地址空间对所述目标数据进行传输操作之后，判断所述目标数据是否传输完成；
套接字释放子模块，用于当确定所述目标数据传输完成时，对所述目标套接字进行释放操作。
7.一种数据传输设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述数据传输方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述数据传输方法的步骤。
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