TW528949B - A transparent packet pre-marking method for Diffserv in Microsoft windows system - Google Patents

Description

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發明說明（ 5 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 20 【技術領域】 本發明係關於一種微軟視窗作業系統下具通透性 之差異性服務封包標註方法，主要係在目標行程中插 入攔截程式碼，而藉由該攔截程式碼得以變更Ip桿 頭裡T0S(Type-Of-Service)欄位的值，使用者在執行 應用程式之前，僅藉由選擇其所需的服務品質類型， 此應用程式即能具有標註封包的能力。【先前技術】 近年來全球網際網路上線人數急速地成長，人們 的使用網路的應用與需求各不同，而目前網際網路架 構仍只提供盡其所能（best_effort)的服務，在此模 式服務當中，所有使用者欲傳送或接收的封包，皆需 共同競爭網路的資源，因此，此種服務模式並不適合 於即日可性多媒體的應用程式，例如：視訊會議、遠距 醫療、網路電話等等，這些即時性多媒體應用程式對 其封包於網路上傳輸的服務品質，是非常敏銳地。未 來，網際網路將不只提供best-ef f〇rt服務，同時也 將提供不同的服務品質給不同的使用者，相信這樣的 方式將可以使得網路資源的使用更合理化，而每個人 亦可以依自己所需服務的重要性來選擇是否多付出 一些代價，以得到更好的服務品質，這是使用者付費 的精神。差異性服務（Differentiate(j §ervices)架 構乃實現服務品質於IP網路上，它能在網際網路上 提供多種服務等級的選擇並且可防止延展性與複雜 L本纸張尺―中 ----------^--------訂----------線 * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 528949 A7 B7 五、發明說明（ 15

^010 IQO^OOO.doe 1/2Q

•1 衣--------訂： -線_ (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 性的問題。在差異性服務架構下通常封包由網路的邊 界路由器（edge router)或來源端（source host)設定 IP標頭内T0S(Type-0f-Service)欄位來完成封包的 分類及標註，以達到服務等級的差別，同時，在網路 5核心路由器（core router)只需依照其T0S攔位之值 處理其封包即可。在此機制下，目前封包標註的工作 通常都於邊界路由器所完成，同時，必須由使用者告 知系統官理者所需的服務品質之等級，系統管理者再 於邊界路由器作靜態的設定，此後，邊界路由器一經 〇系統官理者設定完成，使用者即不能即時性的做動態 調整服務品質的等級，並且設定完成後，邊界路由器 便將此使用者所送出的封包全都加以標註或將整個 應用程式的封包都加以標註，對使用者而言是較缺乏 彈性的。因此若能於來源端完成封包標註的工作，對 使用者來說，要求所需要的服務品質較能具有彈性， 可即時性動態地變更所需要的服務品質， 務品質的應用程式加以標註，使得使用者能依 網路流篁多募、應用程式需不需要服務品質，來即時 地决疋疋否將於封包標註。然而要於來源端完成封包 20標註可由下列兩種解決之辦法：其中一種方法，即為· 重新設計一個具封包標註之應用程式，第二種方式， 則是藉由修改現有的資源（例如：函式庫、應用程式） 來達到目的，然而，上述之第一種方式，必須花費魔 大的成本，第二種方式不管是修改協定堆疊、^ '本紙張尺度&中一冢標準（CNS)A4 528949

發明說明（I (protocol stack)’即修改函式庫，或修改應用程式， 對使用者來說，都存在於原始碼是不容易取得的，對 於函式庫提供之公司而言，要修改其協定堆疊需花費 龐大的成本，同時，使用者或程式設計師，並非個個 5都懂得封包標註的技術與觀念。 由此可見，欲於來源端完成封包標註之技術，在 使用上仍缺乏彈性，非一完善之設計，而亟待加以改 良。 本案發明人鑑於上述欲於來源端完成封包標註之 10技術所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並成 功研發完成本件微軟視窗作業系統下具通透性之差 異性服務封包標註方法。 【發明目的】 本發明之目的即在於提供一種微軟視窗作業系統 I5下具通透性之差異性服務封包標註方法，係在目標行 程中插入一攔截程式碼，而藉由該搁截程式碼得2變 更IP標頭裡T0S攔位的值，以在微軟視窗作業系統 下實現QoS具透通性之差異性服務封包標註方法者。 本發明之另一目的係在於提供一種微軟視窗作業 20系統下具通透性之差異性服務封包標註方法，係僅藉 由改變組態檔之内容，即可達適用於各微軟視窗作^ 系統之各網際網路應用程式。 本發明之他一目的係在於提供一種微軟視窗作業 系統下具通透性之差異性服務封包標註方法，藉由本 _____ -5· 本紙張尺度適用中酬家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱 ------—

(請先閱讀背面之注音項再本IC

It 太 · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 528949 A7 B7 五 、發明說明（4 發明之步驟方法，即可達到由使用者選擇其所需的服 務品質類型之功效，而不需經由重新設計一個具封包 標註之應用程式或修改現有的資源，可節省花費龐大 的成本及時間，而使用者或程式設計師也不必完全懂 5得封包標註的技術與觀念，即可使用此服務之技術。 【技術内容】 可達成上述發明目的之一種微軟視窗作業系統下 具通透性之差異性服務封包標註方法，其步驟至少包 括： 1〇 步驟一 ··建立一個組態檔，内容至少包括被攔截 函式的名稱、被攔截函式所屬動態連結函式庫 (Dynamic Link Library，DLL)名稱及被攔截函式内 之參數等相關資料（組態檔中攔截函式之選定，依不 同之目標行程函式内容而有所不同）。 15。，步驟二：撰寫—程式載入器並執行之，因為搁截 程式的設計目的為不修改被搁截程式的原始碼，且又 必須將攔截程式碼安插於被攔截程式的行程範疇 中，所以表示攔載程式必須是一個動態連結函式庫可 在理論情況下，應設法要求目標 L_oadUbrary載入攔截程式碼，但因為不能改變目標 行程中被攔截函式，故須另外撰寫—個程式載入哭: 載入所欲執行之程式至記憶體中執行，並成為—常。 於記憶體之程式’即藉由該載入器之執行 电 態播產生-搁截程式’該《程式為—動態連結 π本紙張尺度顏+_冢鮮（CNS)A4 _(2lG x 庫’内含程式碼和資料，而該載入器另可針對目標行 程坪叫一載入函式庫（LoadLibrary)，㈣入函式庫 被载入器呼叫之後，加上一中斷點指令，此時，載入 器可將攔截程式碼位址寫入目標行程的第一個頁 5 (Page)中’並且改變目標行程的EIP (Extended

Instruction Pointer)暫存器。 步驟三：設定好記憶體和暫存器之後，讓目標行 程開始執行，目標行程會先執行起載入器，然後觸及 ,亥步驟一所述之中斷點指令，言亥中斷點指令一被觸 10 = ’ 5亥目標行程就暫時被;東結，而使得該攔截程式獲 得優先控制權，藉由於該攔截程式内，記錄了該目標 订程中欲被攔截函式所屬各項資料（如被搁截函式名 稱）’於是攔截程錢復目標行程原^之執行流程（包 括記憶體和暫存器），攔截程式碼因此而被梢悄地載 入目標行程中。 士步驟四··當目標行程執行過程中呼叫被搁截函式 時j制權先由攔截程式取得，而再由摘截程式將控 制榷交給原來目標行程想要呼叫的被攔截函式並執 行之。 、步驟：：被攔截函式執行完後，控制權交還給攔 截耘式，藉由攔截轾式呼叫一屬性設定函式，並藉由 該屬性設定函式來修改ίρ標頭裡T0S搁位，最後將 控制權回傳給目標行程，如此⑽即完成，目標行程 所產生的封包也悄悄地被標註。 528949 A7 B7 五、發明說明（ "PA010400^2000.Uul * O/'Jia 【圖式簡單說明】 請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明 及其附圖將可進一步瞭解本發明之技術内容及其目 的功效，有關該實施例之附圖為： 圖一（A)為習知之目標行程執行流程示意圖·， 圖一（B)為習知之目標行程執行流程加入攔戴程 式示意圖； 圖二為本發明之微軟視窗作業系統下具通透性之 差異性服務封包標註方法之步驟流程示意圖； 圖三為該微軟说窗作業系統下具通透性之差異性 服務封包標註方法之測試平台中所使用 link-sharing structure 示意圖； 圖四為該微軟視窗作業系統下具通透性之差異性 服務封包標註方法之實驗架構圖； 圖五為該微軟視窗作業系統下具通透性之差異性 服務封包標註方法之測試設備之軟體示意圖；” 圖六為該微軟視窗作業系統下具通透性之差異性 服務封包標註方法之在Henry主機上使用qlr與無使用QLR應用程式的throughput(單位時間所處理 比較圖； 1 圖七為該微軟視窗作業系統下具通透性之差異陸 服務封包標註方法之利用m在Grace主機未使用生 QLR的輸出介面上所觀察示意圖； 圖八為該微軟視窗作業系統下具通透性之差異， (請先閱讀背面之注意事項再本頁) *裝 太 訂· -線- ______ · 8 - 本紙張尺度適用中國國家規格（21〇 —公爱 528949 A7 B7 5e_2ClOU.UUC - 9/29 五、發明說明（ 服務封包標註方法之利用TTT在Grace主機使用QLR 的輸出介面上所觀察示意圖； 圖九（A)、（B)為該微軟視窗作業系統下具通透性 之差異性服務封包標註方法之主機Henry和主機B〇b 視窗在vie應用程式使用qLR前之視圖；以及 圖十（A)、（B)為該微軟視窗作業系統下具通透性 之差異性服務封包標註方法之主機Henry和主機B〇b 視窗在vie應用程式使用QLR後之視圖。 【主要部分代表符號】 ___________·---# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1目標行程 2A動態連結函式 庫 2A1被搁載函式 3A指標 4A輸入位址表 41載入函式庫 51A輸入函式 61主機 63主機 2攔載程式 2A2屬性設定函式 3組態檔 4載入器 5A陣列 42中斷點指令 52A輸入區段 62主機 7路由器

訂----------線J 【較佳實施例】 請參看圖一（A)，在習知一般狀況中，目標行程 1 (應用程式）在執行時，該目標行程1會去動態連結 作業系統中的共享函式庫，載入目標行程所需之動態 連結函式庫2A(在此假定為winsock. dl 1)，而在一個

297公釐） 本紙張尺度剌+ 6¾四，豕鮮（CNS)A4規格（21〇· 528949 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明 目軲行程1中需要多次呼叫同一個動態連結函式庫 2A時，它的每一個呼叫動作，都會把控制權轉移到一 個指標3A(DW0RD)，然後跳到指標3A(DW〇RD)所指之 處’亦即目標行程1所連結之真正位址，而dw〇rd函 5式位址可以從輸入位址表4a( Import Address Table-1 AT)中獲得；輸入位址表4通常置於可執行檔 的idata section中，目標行程1之可執行檔（在此 假定為LegacyAPP.exe)所連結的每一個動態連結函 式庫2A，都有一個對應的DWORD陣列5A，内含此動 悲連結函式庫2A之輸入函式51A(Import Function) 之位址，故欲達到QLR的目的，只需要在目標行程1 之可執行檔的輸入區段52A(Imp〇rts Secti〇n)中找 到輸入位址表4A，改寫其内容，使其中的指標 3A(DWORD)改指向攔截程式2之程式碼（假定攔戴程式 為stub)即可，如圖一（B)所示。 凊配合參看圖二，在此藉由詳述本發明施行如何 攔截目標行程1來達到QLR目的五個步驟： 步驟一，建立一個組態檔3，該組態檔3内容至 少包括被攔截函式2A1(假設為socket())的名稱、被 2〇攔載函式所屬動態連結函式庫名稱2a及被攔截函式 内之參數等相關資料。 步驟二’撰寫一程式載入器4並執行之，該載入 器4為一常駐於記憶體之程式，即，藉由該載入器4 之執行，會針對組態檔3產生一攔載程式2(假定為 -10 10 15 本紙張尺用中國國家X 297公爱 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再1^111本頁) 訂· -線- 528949 A7 B7 五、發明說明 η/ °亥攔截孝王^ 2之屬性為一動態連結函式 ":内含程式碼和資料，而該載入器4另可奸對目標 行程1呼叫一載入函式庫41(L〇adLibra 哕 函式庫41被載入器4呼叫之後，加上一中斷=令 5 42:此時’載入器4可將攔截程式2之碼位址寫入目 標行程1的第一個page中，並且改變目標行程丄的 EIP (Extended Instruction p〇inter)暫存器。 步驟三：設定好記憶體和暫存器之後，讓目標行 程1開始執行，目標行程i會先執行起載入器4，然 10後觸及該步驟二所述之中斷點指令42，該中斷點指令 42 -被觸發，該目標行程i就暫時被凍結，而使二: 攔截程式2獲得優先控制權，藉由於該攔截程式2 内’記錄了該目標行程中i欲被攔截函式所屬各項資 料（如被攔截函式2A1名稱），於是攔載程式2恢復目 I5標行程1原定之執行流程（包括記憶體和暫存器），攔 截耘式2之程式碼因此而被悄悄地載入目標行程1 中〇 20 線 步驟四：當目標行程i執行過程中，叫被搁戴函 式2A1 a寺，控制權先由攔截程式2取得，而再由搁戴 程式2將控制權交給原來目標行程丨想要呼叫的被攔 截函式2A1並執行之。 步驟五··被攔截函式2A1執行完後，控制權交還 給攔截程式2，藉由攔截程式2呼叫一屬性設定函式 2A2(在此假定為setsockopt())，藉由該屬性二定= | ______^11·

本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公爱T 528949 五、發明說明 A7 B7 ^010400^000 式2A2來修改ip標頭裡t〇S攔位，最後，再將控制 權回傳給目標行程1，如此QLR即完成，目標行程1 所產生的封包也悄悄地被標註。 為了在微軟視窗作業系統平台驗證QLR方法，我 5們不只建構了一個Di f f Serv測試平台，同時實驗了 兩種典型傳輸層協定（TCP/UDP)來佐證其結果。於TCP 實驗中’我們使用了 CuteFTP及Serv-U兩種應用程 式，於UDP中則使用了 Mbone軟體中的v i c多媒體應 用程式’vie為典型Mbone軟體上即時性視訊會議之 1〇多媒體應用程式。測試平台主要内容包括CBq、

Dif fServ daemon及相關應用程式。該CBQ ( Class Based Queueing)係藉由 Hierarchical link- sharing structure 觀念提供了在 i〇cai host 之界面 上作封包排程機制’而不是在存取共享網路上作流量 15 控制’其由 Sally Floyed 及 Van Jacobson 所提出， 係藉由樹狀結構的方式，建立Unk — sharing structure ° 請配合參看圖三、圖四及圖五，圖三係為我們的 測試平台中所使用 CBQ link - sharing structure。 2〇 Diffserv daemon則提供於輸入界面中具有能力分· 類及監測流量並且將其結果送於輸出界面上。圖四了 為我們實驗架構圖，其中有三台主機61 (gob)、 62(1{611]^)及63(1^23)和一台路由器7(〇厂306)，該主 機62及63為傳送流量主機。接收端主機61為兩個 ___________a--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

訂---------線II 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

528949 A7 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明說明qI 主機62及63流量之目的地；主機62使用具有qlr 的應用程式’而主機63則是使用無qlr的應用程式 產生網路壅塞（作業系統為FreeBSD，請配合參看圖 四）’路由器7上的界面為10Mbps之點對點的 Ethernet網路，而如圖六中所示，路由器7中包含了 CBQ、Dif fServ daemon 及一些應用程式，例如：τττ、 vie及Mgen，Mgen是一個在IP網路環境下提供產生 uni-cast及multi-cast流量的流量產生器，它同時 也能測量出網路效能並做成統計資料，TTT (Tele Traffic Tapper)是一個由FreeBSD提供的即時性測 量網路流量程式，以圖型介面方式來表示出網路上各 host及IP所產生的資料流量曲線，並且以自動方^ 監視網路上主要之流量，它的另一項不錯功能為遠端 監視流量；CuteFTP及Serv-U為目前微軟視窗作業系 統中較普遍性的FTP主從端（Cllent及Server)之應 用程式。 〜 TCP實驗實驗中我們在主機62上傳送了一個2指 bytes的檔案給主機61，同時在主機63產生不同等 級的流量影響網路。圖六為在主機61上使用⑽與 無使用QLR應用程式的throughput(單位時間所處理 的量）比較圖。圖七，及圖八為利用τττ在路由器7的 輸出介面上所觀察的圖，由圖中可清楚得知使用qlr 的應用程式並不會隨著網路的壅塞而減少其 Q〇S(throughput);而UDP實驗實驗中我們在主機62 15 20 ____ - 1 j - (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 14衣 太 訂： ，線' 發明說明（/^) 上開啟一個vic session並傳送畫面，並於主機61 端為vie session的接收，在主機63上則產生大量 "丨l里使得網路壅塞，圖九（A)、（B)和圖十（A)、（B)表 5不主機62和61視窗在vie應用程式使用QLR之前/ 後圖形，當主機62端的vie應用程式沒有使用QLR 之刖，主機61端的晝面有很明顯的影像嚴重失真， =用QLR的主機62端vic應用程式將所產生的封包 標註以達到所需的QoS。 現有的技術當中若要於來源端（3〇111^6 h〇st)選 10擇其所需要的QoS，即時性服務中封包標註，必須重 新&计或者修改其原始碼，甚至提出新的模式使得使 用者具有選擇QoS的能力。_將可避免應用程式重 ^設計或修改的缺點，同時使用者也將不需要重新學 =使用新的使用方法，使用目標行程1(應用程式） 月J使用者只需選擇其所想要的服務等級即可。 【特點及功效】 …μ十八因忭系糸統下具通i ^差異性服務封包標註方法，與前述其他技術相j 比較時，更具有下列之優點·· (1)本發明之步驟方、木 六 /杯万法，僅猎由改變組態檔之戸

谷’即可適用於各微斂涕宗从I — 倣#人視自作業系統之各應用程式 C 2 )藉由本發明之击炉 摆知方法，即可達到由使用者这 一伽目一 貝买貝生之功效，不需經由重新設言1 個”封包標註之廣用未斗、 〜私式或修改現有的資源原始 20 528949

10 的 碼，因此可節省花費龐 程式設計細士 、、 的成本及時間，而使用者或 念，即;使用。不必完全懂得封包標註的技術與觀 者來(:對要於來源端完成封包標註的工作，對使用 要未所需要的服務品質較能具有彈性，可即 ： 務品質，選擇需要服務品 式加以標註’使得使用者能依照當時網路 一：：、應用权式需不需要服務品質，*即時地決 =疋：於封包標註，對於使用者來說是較具有彈性 的0 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上列砰細說明係針對發明之—可行實施例之具體 μ ’惟該實_並非用以限制本發明之專利範圍， 凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，例 a欠換應用私式或其内含之函式名稱等變化之等效 性實施例，均應包含於本案之專利範圍中。 练上所述，本案不但在構思上確屬創新，並能較 習用技術增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及 $步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。 -15- 10 X 297 公釐） --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 528949 申請專利範圍 PA010466_2000.doc« 16/^n 5 15 20 • 一種微軟視窗作業系統下具通透性之差異性 .服務封包標註方法，至少包括下列步驟·· 步驟一，建立一個組態檔，該組態檔内容至少 包括·被攔截函式的名稱、被攔截函式所屬動 嘘連結函式庫名稱及被攔截函式内之參數等 相關資料； 步驟二，撰寫—程式載人ϋ並執行之，該載入 。器為-常駐於記憶體之程式，即，藉由該載入 器之執行’會針對組態檔產生—攔截程式，該 攔截程式时程式碼和f料，而該載人器另可 針對目標行程呼叫一載入函式庫 (L⑽dUbrary)，該載入函式庫被載入器呼叫 之後’加上-中斷點指令，此時，載人器可將 攔截程式碼位址寫入目標行程的第一個頁 (Page)中，並且改變目標行程的Ειρ (Extended Instruction 卩〇441〇暫存器； 步驟三，設定好記憶體和暫存器之後，讓目標 行程開始執行，目標行程會先執行載入器，： 後觸及該步驟二所述之中斷點指令，該中斷點 :被觸發’該目標行程就暫時被;東結，而使得 該攔載程式獲得優先控制權，藉由於該攔截： 式内’記錄了該目標行程中欲被攔戴 各項資料(如被攔截函式名稱），於 恢復目標行程原定之執行流程（包括記憶^ 式 和 項 頁 訂 本紙張尺度適财關家縣（cC祕（2lGx297公慶γ 528949 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 暫存器）㈣載耘式碼因此而被悄悄地載入目 標行程中； 步驟四’當目標行程執行過程中呼叫被攔截函 式時，控㈣先由攔戴程式取得，而再由搁截 5 帛式將控制權交給原來目標行程想要啤叫的 被搁截函式並執行之，· 步驟五’被_函式執行完後，㈣權交還給 攔截程式’藉由攔截程式呼叫一屬性設定函 式，並藉由該屬性設定函式來修改IP標頭裡 10 T0S欄位’最後將控制權回傳給目標行程，如 此QLR即完成’目標行程所產生的封包也悄悄 地被標註。 2_如申清專利範圍第丨項所述之一種微軟視窗作 業系統下具通透性之差異性服務封包標註方 15 法，其中該被攔戴函式之選定，依不同之目標 行程函式内容而有所不同。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3 _如申吻專利範圍第1項所述之微軟視窗作業系 統下具通透性之差異性服務封包標註方法，其 中該攔載程式為一動態連結函式庫。 2〇 4·如申請專利範圍第1項所述之微軟視窗作業系 統下具通透性之差異性服務標註封包方法，其 中該目標行程為微軟視窗（Micr〇s〇ft Wind〇ws) 各系列作業系統之網際網路的應用程式。 5_如申請專利範圍第1項所述之微軟視窗作業系 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董） 528949 A8 B8 C8 D8 PA010466_2000.doc - 18/30 六、申請專利範圍 統下具通透性之差異性服務封包標註方法，其 中該戴入器所呼叫之載入函式庫，係用來載入 作業系統中動態連結的共享函式庫。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 言 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）