CN113826081A - 在计算系统中传输报文的方法和计算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在计算系统(1)中传输报文的方法,该方法具有以下步骤:利用发送器(S)发送报文并利用接收器(E)接收报文,其中,允许发送器(S)访问存储区(2)以进行发送,在发送后取消发送器(S)对存储区(2)的访问,并且随后允许接收器(E)访问存储区(2)以进行接收,并且其中,为了访问存储区(2)而为发送器(S)分配第一虚拟地址(P1),并且为了访问存储区(2)而为接收器(E)分配第二虚拟地址(P2),其中,第一虚拟地址(P1)不同于第二虚拟地址(P2)。

Description

在计算系统中传输报文的方法和计算系统
技术领域
本发明涉及一种用于在计算系统中传输报文的方法。该方法包括:利用发送器发送报文,其中,为了借助于发送器发送报文,将数据写入多个存储区中的一个存储区中。该方法还包括:利用接收器接收报文,其中,为了接收报文,借助于接收器在存储区中读取数据。本发明还涉及一种计算系统。本发明还涉及计算机程序和计算机可读介质。
背景技术
在具有多个执行层级的计算系统中,各个软件单元(例如任务)经常通过报文(Messages)相互通信以交换事件和数据。在计算系统中,对多个任务的两种编排类型进行了区分,它们(即线程和进程)也能以混合形式出现。线程(处理线)在称为进程的地址空间内运行。因此,所有线程在进程内都看到相同的存储器。两个进程之间最初却没有共享的存储器,使得相同的(虚拟)存储器地址在不同的进程中表示物理存储区中的不同区域。所描述的两个编排可能性也导致报文交换的两个不同可能性。
进程内通信在现有技术中是已知的。在这里,所有线程在一个进程内看到相同的存储器,从而使得发送器和接收器之间的报文不必被复制,而仅需将指针(虚拟存储器地址)发送至报文,以使接收器可以访问内容。这里的巨大优点是:数据交换的高速性,因为只需要发送几个字节;以及发送的确定性,因为它不依赖于报文的大小。另一方面,存在的主要缺点是:报文的存储器及其内容的完整性没有得到保护。在发送后,发送器可以对存储器进行写访问并更改内容。接收器不具有对于发送的时间点识别该更改的可能性。
进程间通信也是已知的。相反,在进程之间使用报文进行通信时,由于不相交的地址区域,因此必须始终进行复制。为此,操作系统的报文机制在此提供了相应的存储区,以便在发送时首先必须将报文从发送器的存储器复制到系统的存储器中。在递送后,必须再次将该报文从系统存储器复制到接收器的存储器中。除了这种双重时间延迟之外,该方法还有一个缺点,即系统中可用的存储块数量不够,使得发送器因为不能复制报文而被阻塞。块数量的后续增加是不可能的。此外,复制的时间段取决于报文的长度,因此其是不确定的。这种复制报文机制的巨大优点是完全保证了报文的完整性,因为报文在发送后不能再更改。
由于报文存储器的双重复制,一方面进程间通信比复制指针慢得多。另一方面,复制也取决于报文的长度,因此只能以系统存储区大小限定的最大复制时间的最坏情况时间的两倍进行估计。另一方面,发送指针总是花费完全相同的时间,因此其是完全确定的。因此,进程内通信也适用于实时系统,而进程间通信仅适用于非实时系统或非实时任务(也在实时系统内)。
此外,容器虚拟化在现有技术中是已知的。用于隔离不同任务的容器也基于进程,但提供其他可能性来限制资源消耗,例如提供计算能力或最大可用存储器。目前,容器主要用于计算系统,因为它们比虚拟机轻得多,但随着物联网(IoT)的影响越来越大,容器技术也被用于不属于计算机网络的设备中。尤其在自动化领域中,范式容器(不同任务的隔离)和实时(控制物理过程的确定时间行为)相遇。
在具有容器虚拟化的系统中,只能使用上述进程间通信,因为基本系统在存储技术方面将容器彼此隔离。因此,这种报文交换的所有缺点都会发挥作用,尤其是较长且不确定的运行时间。因此,只有容器中的非实时任务才能相互隔离,而实时任务之间不能在不对时序产生巨大负面影响的情况下相互隔离。由于目前还没有容器之间确定性通信的解决方案,因此该技术不能用于自动化设备或其他实时系统。
US 7 152 231 B1公开了一种进程间通信的方法,其包括以下步骤:检测先前生成的共享RAM区域,生成并配置用于存储累积数据的共享RAM区域,以及将第一和第二进程附加到随机存取存储器的共享区域中的报文缓冲区,其中,每个进程具有报文列表,该报文列表是报文队列,在报文缓冲区的某个位置从第一进程收集报文数据,其中,第一进程向第二进程的报文列表添加存储器偏移量,该存储器偏移量对应于报文缓冲区中的位置,并在与偏移量对应的位置处操纵第二进程中累积的数据,从而以最小的数据传输成本将累积的报文数据从第一进程传输到第二进程。
此外,US 8 286 188 B1描述了一种进程间存储器控制器,其可用于使多进程设备中的多个进程能够访问共享物理存储器。所描述的进程间存储器控制器可以强制实施对分配给各个进程的共享存储器的访问权限,从而保护多处理设备免于由于未授权覆盖和/或未授权释放分配的存储器而导致的不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在计算系统中更可靠地进行报文传输的解决方案。
根据本发明,该目的通过具有根据独立权利要求的特征的方法、计算系统、计算机程序和计算机可读(存储)介质来实现。在从属权利要求中给出有利的改进方案。
根据本发明的方法用于在计算系统中传输报文。该方法包括利用发送器发送报文,其中,为了借助于发送器发送报文,将数据写入多个存储区中的一个存储区中。此外,该方法包括利用接收器接收报文,其中,为了接收报文,借助于接收器在存储区中读取数据。在此提出,允许发送器访问存储区以进行发送。此外,在发送之后取消发送器对存储区的访问。随后允许接收器访问存储区以进行接收。
该方法应将报文或数据从发送器传输到接收器。发送器和接收器可以是任务、进程或容器。该方法尤其是在计算系统上执行的由计算机实施的方法。计算系统可以是计算机或另外的计算器。计算系统也可以是自动化设备的一部分,其可以用于例如自动化和/或生产。
存储区用于传输报文。该存储区可以逐页提供或作为所谓的页提供。每条报文使用这种页来存储其中的数据。每个进程或任务可以是用于此类报文的发送器和接收器。作为第一步,发送器可以从基本系统中获得存储区,然后将其数据写入存储区中。随着报文的发送,取消发送器对该存储区的访问并将该访问传送至接收器。这隐含地确保发送器在发送完报文后不能再更改报文的存储区,从而确保了报文的完全的完整性。还排除了由于编程错误而导致的无意使用存储器,因为每次访问存储器会由于进程正在访问对其无效且未被物理存储器占用的虚拟地址而导致异常处理。
根据本发明提供一种报文机制,它结合了进程内通信和进程间通信的决定性优点而没有它们的缺点。换句话说,可以同时通过快速和确定性的调度来实现完整的报文完整性。本发明的一个主要方面在于确定性传递与报文的完全完整性的组合,这在以前只能通过进程内通信实现,因为在发送之后对内容的后续更改既不是有意的也不是偶然的。
此外,为了访问存储区而为发送器分配第一虚拟地址,并且为了访问存储区而为接收器分配第二虚拟地址,其中,第一虚拟地址不同于第二虚拟地址。报文的物理存储器可以出现在接收器与发送器不同的虚拟地址处。在此,接收器可以从基本系统为其获取正确的地址。读取报文后,接收器可以将存储区返回给基本系统,或者也可以直接使用存储区发送另外的报文。通过更改虚拟地址,即使在进程内使用此机制交换报文时,报文的完整性也能得到保证,因为发送器不知道新的虚拟地址而无法访问它。这种交换报文的方法可以将实时系统的不同任务划分到不同的进程(地址区域)中,从而相互保护。当在一台设备上整合多个应用程序以避免未知的依赖性时,这一点尤其重要。
在一个设计方案中,借助于存储器管理单元提供多个存储区,其中,相应的存储区具有预定的存储规格。存储器管理单元也被称为MMU(内存管理单元)。现代计算系统以及自动化设备通常具有MMU,其本质上执行物理存在的主存储器到虚拟地址的逻辑分配,以使不同的软件单元可选地具有对存储器的相同或不同的视角。两个(或更多)进程也可以访问同一个物理存储器,然后该存储器也可以出现在各自进程的不同地址中。存储器管理单元通常可以借助页(Page)为物理存储器提供相应的进程。页大小通常为四千字节(4096字节),尽管某些处理器系统也允许(有时甚至同时允许)另外的页大小。
还可以提出使用所谓的池(通常也是存储池)。池被描述为一种存储器管理方法,其中在系统初始化期间分配一定数量的相同大小的存储块并将存储块存储在该池中。而从该池提供的存储区是完全确定的,因为其通常在内部列表中管理,因此仅需从该列表中取出该列表的第一元件。
在另一个设计方案中,多个存储区中的至少一些存储区的存储规格不同。为了管理不同大小的存储块或存储区,可以创建多个池或报文池。例如,可以为每个存储规格创建池,以使发送器可以转向其中一个池以获得所需大小的存储区。例如,基本系统可以在整个系统的初始化中分配限定数量的存储区。如果处理器并行支持不同的MMU页大小或不同存储规格的存储区,也可以创建不同大小的池,但这些池相应始终对应于MMU限定的页大小。
如果为了报文的传输而分配有多个存储区,则也是有利的。为了进行发送,可以从系统中获取新的存储区或新页,以将其用作发送缓冲区。此功能的运行时间不是确定性的。即使在实时系统中,存储器分配也是一个不确定的过程,因为它取决于当前系统和存储器状态,因此只能用最大运行时间来估计,但是其对于实时系统来说太大了。
在另一个设计方案中,在报文队列中提供多个存储区。这样的报文队列也可以称为信息队列。报文队列用于管理单个报文。在此,队列尤其不是固定分配给一个任务的,而是原则上独立的。可以通过一个或多个报文队列实现某个任务的情况在限定系统时被指定为惯例。还可以将自己的报文队列分配给基本系统本身。为了报文队列可供发送器和/或接收器使用而有利地提出,初始化报文队列。发送器和/或接收器因此可以稍后寻址报文队列以便发送或接收。
还有利的是,在发送之后借助于发送器将存储区传送至报文队列,并且为了接收而借助于接收器从报文队列中取出存储区的内容。在进行发送后,可以将存储器区或发送缓冲区传送到报文队列中,以便另一个任务可以将其从报文队列中删除。该功能永远不会阻塞,因为在读取报文之前一个报文队列中可以有的发送缓冲区或存储器区域的数量是没有上限的。
接收时可能会出现以下情况:任务或接收器想要获取报文队列的第一缓冲区。如果报文队列为空,则任务会阻塞,直到另一个任务将缓冲区发送到队列中。为了使阻塞不会永远持续,接收功能还可以提供超时或尝试可能性,以使阻塞仅持续特定时间或永远不会发生。如果该功能在没有缓冲区的情况下返回,则可以返回相应的错误代码。
如果发送器想要发送报文,发送器为此需要这些块或存储区之一。为此,发送器可以调用应用于池报文队列的接收功能并接收一个块以供进一步使用。如果系统中没有更多空闲块,则所描述的机制会生效,即任务不会在有限时间内或永久阻塞。
在另一个设计方案中,在接收之后释放存储区。在接收后,可以将存储区归还给系统并进而归还给通用系统存储器。该功能的运行时间不是确定性的。不再需要的存储区可以发送到池报文队列,以使它可再次用于其他任务。也可以提出,再次从系统中删除报文队列。其中存在的缓冲区或者可以隐式释放,或者如果其中仍有缓冲区则拒绝删除。正在此队列上等待缓冲区的任务可以被唤醒,并且不会返回没有新报文的错误代码。
当完全使用报文池时,可以省略上述分配和/或释放功能,其中,然后初始化功能隐式分配限定数量的缓冲区,删除功能隐式释放它们。如有必要,可以在运行时重新分配。
在另一个设计方案中,将容器中的任务、进程和/或应用程序用作发送器和/或接收器。发送任务可以用作发送器,接收任务可以用作接收器。因此,该方法可用于进程内通信。发送进程也可以用作发送器,接收进程也可以用作接收器。因此,该方法可用于进程间通信。此外,容器可以用作发送器和接收器。报文机制可以由基础系统提供,可以被简单进程访问,也可以被容器访问。该方法还支持容器中隔离的应用程序之间的确定的通信,这在以前是不可能的。这意味着容器可用于实时系统中的应用程序管理。即使只使用单个进程或容器,并且单个任务被映射到其中的线程,除了确定性之外,还保持完全完整性,因为接收线程在不同的虚拟地址下提供报文缓冲区的物理存储器。
通过使用该方法,还消除了发送器必须知道接收器是在相同进程中还是在不同进程中运行的需要,因为对于这些情况不再有任何不同的报文方法,而只有一个涵盖所有组合的方法。
该方法尤其不同于提供进程之间共享存储器的使用以及经由信号量或其他同步装置对其进行管理的方法。这里也有可能只发送指向共享存储器中报文内容的指针。但是,必须在应用程序中更正指针,因为共享存储器不必在每个进程中都位于相同的虚拟地址。此外,使用双重复制过程在进程之间发送指针既不快速也不一定是确定性的。系统的完整性也只能以特定于应用程序的方式来确保,而根据本发明描述的方法则隐含式地提供了其作为一种没有运行时间延迟的系统性能。
根据本发明的计算系统被设计用于执行根据本发明的方法及其有利的设计方案。除了经典的操作系统,这种方法也可以用在微内核系统中,在微内核系统中,系统的几乎所有部分都运行在自己的进程中,这大大提高了安全性,但迄今为止导致了显著的速度下降,特别是在信息交流方面。因此,到目前为止,这种系统中的实时任务被迫在同一进程中运行,以保证确定性。
根据本发明的计算机程序包括指令,当该程序由计算系统执行时,该指令使计算系统执行根据本发明的方法及其有利的设计方案。根据本发明的计算机可读(存储)介质包括指令,当指令由计算系统执行时,指令使计算系统执行根据本发明的方法及其有利的设计方案。
参考根据本发明的方法呈现的优选设计方案及其优点相应地适用于根据本发明的计算系统、根据本发明的计算机程序以及根据本发明的计算机可读(存储)介质。
本发明的另外的特征从权利要求、附图和附图说明中给出。上面在说明中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以用于分别指定的组合中,还可以用于其他组合中,而不脱离本发明的范围。
附图说明
现在使用优选实施例并参考附图更详细地阐述本发明。附图示出:
图1示出了根据现有技术进行进程内通信的计算系统的示意图;
图2示出了根据现有技术进行进程间通信的计算系统的示意图;
图3示出了根据第一实施方案的计算系统的示意图,其中在两个进程间传输报文;以及
图4示出了根据第二实施方案的计算系统的示意图,其中在进程内传输报文。
相同或功能相同的元件在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的计算系统1的示意图,通过该计算系统执行进程内通信。在此,报文应该在进程Prl内传输。在此,数据应该从呈发送任务形式的发送器S传送到呈接收任务形式的接收器E。发送和接收由基本系统B执行。在进程Pr1内,发送器S和接收器E均可以访问存储器的存储区2。此处不必复制报文或数据。如果传送相应的虚拟存储器地址P1、P2或指针,这里就足够了。在当前情况下,发送器S和接收器E具有相同的存储器地址P1、P2。进程内通信的优点是数据交换速度快以及调度的确定性,因为这不依赖于报文的大小。另一方面,存在很大的缺点,即报文的存储区2及其内容的完整性没有得到保护。
与此相比,图2示出了计算系统1的示意图,通过该计算系统根据现有技术执行进程间通信。在此,报文或数据3从第一进程Pr1中的发送器S或发送任务传输到第二过程Pr2中的接收器E或接收任务。这里需要复制要传输的数据。为此,基本系统B提供了存储区2。为了进行发送,将数据3从发送器S的存储器复制到存储区2中。为了进行接收,数据3又从存储区2复制到接收器E的存储器中。除了这种双重时延之外,进程间通信还有一个缺点,就是系统中可用的存储区2的数量不够,导致发送器S因为无法复制数据3而阻塞。进程间通信的优点是完全保证了报文的完整性,因为它在发送后无法更改。
图3以示意图示出根据第一设计方案的计算系统1。在此,报文从第一进程Pr1中的发送器S传输到第二进程Pr2中的接收器E。在此,计算系统1还包括存储器管理单元4,其也能被称为MMU(内存管理单元)。存储器管理单元4执行物理存在的主存储器到虚拟地址的逻辑分配。通过存储器管理单元4能将存储区2提供为具有例如四千字节的存储规格的页。
为了发送报文,发送器S从基本系统B中取出存储区2,以便将数据写入存储区中。随着报文被发送,通过MMU配置取消发送器S对这个页的访问并将该访问传送至接收器E。由此,发送器S在发送后不能再更改存储区2。此外,发送器S和接收器E的虚拟地址P1、P2彼此不同。接收器E可以从基础系统B接收虚拟地址P2。
该方法还能用于单个进程Prl中的报文传输。这在图4中示出,其示出了根据另一设计方案的计算系统1的示意图。由于不同的虚拟地址P1、P2,在Prl进程内交换报文时保证了报文的完整性。
报文队列(Message-Queues)用于管理报文。报文队列首先被初始化。此外其也执行分配。这里提供了一个存储区2,其可用于发送报文。该功能的运行时间不是确定性的。这里也可以使用所谓的池或存储池。在系统初始化过程中,一定数量的相同大小的存储区2被分配并存储在这个池中。从该池中提供存储区是确定性的。
为了进行发送,可以借助于发送器S将存储区2传送到报文队列中。该功能永远不会阻塞,因为在读取报文之前,一个报文队列中可以有的发送缓冲区的数量是没有上限的。为了进行接收,接收器E可以从报文队列中取出存储区2。如果报文队列为空,则任务会阻塞,直到其任务之一将缓冲区发送到队列。超时或尝试可选方案也可用于接收功能,以使阻塞仅持续特定时间或永远不会发生。然后可以释放存储区2。该功能的运行时间不是确定性的。最后,报文队列可以被再次从系统中移除。
使用该方法,在进程Pr1内传输报文时以及在进程Pr1、Pr2之间传输报文时,一方面可以实现完整的报文完整性,另一方面可以实现确定的传递。

Claims (11)

1.一种用于在计算系统(1)中传输报文的方法,所述方法具有以下步骤:
-利用发送器(S)发送报文,其中,为了借助于所述发送器(S)发送所述报文,将数据写入多个存储区(2)的一个存储区(2)中,并且
-利用接收器(E)接收所述报文,其中,为了接收所述报文,借助于所述接收器(E)在所述存储区中读取所述数据,其中,
-允许所述发送器(S)访问所述存储区(2)以进行发送,
-在所述发送之后取消所述发送器(S)对所述存储区(2)的访问,并且
-随后允许所述接收器(E)访问所述存储区(2)以进行接收,
其特征在于,
-为了访问所述存储区(2)而为所述发送器(S)分配第一虚拟地址(P1),并且为了访问所述存储区(2)而为所述接收器(E)分配第二虚拟地址(P2),其中,所述第一虚拟地址(P1)不同于所述第二虚拟地址(P2)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,借助于存储器管理单元(4)提供多个所述存储区(2),其中,相应的所述存储区(2)具有预定的存储规格。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,多个所述存储区(2)中的至少一些存储区的存储规格不同。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,为了传输所述报文而配有多个所述存储区(2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在报文队列中提供多个所述存储区(2)。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述发送之后借助于所述发送器(S)将所述存储区(2)传送至所述报文队列,并且为了所述接收而借助于所述接收器(E)从所述报文队列中取出所述存储区的内容。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在所述接收之后释放所述存储区(2)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,将容器中的任务、过程(Pr1、Pr2)和/或应用程序用作发送器(S)和/或接收器(E)。
9.一种计算系统(1),所述计算系统被设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
10.一种计算机程序,包括指令,当所述计算机程序由计算系统(1)执行时,所述指令使所述计算系统执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
11.一种计算机可读(存储)介质,包括指令,所述指令在由计算系统(1)执行时使所述计算系统执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
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