WO2010069179A1 - 一种发送多路数据包的方法及系统 - Google Patents

Description

一种发送多路数据包的方法及系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域， 尤其涉及一种发送多路数据包的方法及 系统。

背景技术

在基于 Linux操作系统的彩铃服务器应用中， 需要将大量的音频文件传 递到 IP网络上。 但是， 如果想通过 IP网络传输音频数据， 就需要将音频文 件转化为 IP数据报， 通过网络套接字 （例如 UDP套接字）进行数据包的发 送。

使用 UDP进行数据包的发送， 现有技术一般包括：

步骤 1、 调用创建（调用 socket函数） 系统实现创建网络套接字。

步骤 2、 调用绑定（bind ) 系统实现将网络套接字与本地 IP地址和 UDP 端口相绑定。

步骤 3、 调用发送（ sendto/sendmsg )系统实现发送 UDP数据包到远端主 机。

其中， 发送 UDP数据包时需要指定目标主机的远端 IP地址和 UDP端口 (即 UDP数据包的目的 IP地址和目的 UDP端口） 。

步骤 4、 调用关闭 （close ) 系统实现关闭网络套接字。

在现有技术的这种方式下， 对于每一路音频流， 都需要使用一个网络套 接字， 用户进程将音频文件打包成实时传送协议 ( RTP, Real-time Transport Protocol)数据包后， 调用 UDP数据包发送接口， 将 RTP数据包发送出去。

如果为远端 IP地址（即目的 IP地址）相同的多路音频流各自创建单独 的网络套接字， 则只需要第一次调用发包接口前， 使用 IP地址和 UDP端口 绑定接口设定本地 IP地址和端口 ,然后在发包接口中指定远端 IP地址和 UDP 端口，将数据包发送出去。由于同一路音频流的远端 IP地址通常都不会变化， 现有发包接口中实现的路由緩存机制只能够支持一路音频流的远端 IP地址的 緩存， 因此发包时只需要查询一次路由表获取远端 IP地址对应的下一跳 IP 地址和 MAC地址， 后续的发送都将使用该网络套接字緩存的路由信息进行 数据包的转发。

在多个数据包的目的 IP地址相同的情况下 ,为了减少进程 /线程切换的次 数， 以及减小系统调用开销， 现有技术可以将多个数据包共用一个套接字进 行发送。 如果多路音频流共享同一个网络套接字， 则每次调用发包接口前， 需要使用 bind系统调用设定本地 IP地址和 UDP端口， 然后在发包接口中指 定远端 IP地址和 UDP端口， 将数据包发送出去。

然而， 由于多路音频流的远端 IP地址常常是不一样的， 而现有发包接口 中实现的路由緩存机制在发送网络数据包时只能支持一路音频流的远端 IP地 址的緩存， 当远端 IP地址发生变化的时候， 需要重新查询存储在 socket对应 的内核数据结构中的路由表来获取远端 IP地址对应的下一跳 IP地址和多媒 体接入控制 （MAC )地址， 而频繁查询路由表将会造成很大的系统开销。

因此当多路音频流的目的 IP地址不同时， 只能釆用为多路音频流各自创 建单独的网络套接字进行发送的方式。 然而， 为每一路音频流都创建一个单 独的网络套接字， 对于一个支持几千路甚至上万路的彩铃服务器来说， 将会 占用大量的系统资源， 多路进程 /线程的频繁切换也会对系统的性能产生很大 的影响。

此外， 用户进程每发送一个音频数据包， 就需要使用一次发送系统调用， 每次系统调用需要先从用户态切换到内核态， 系统调用返回后， 再从内核态 切换到用户态。 在彩铃服务器负荷较重的情况下， 会触发大量的数据拷贝和 上下文切换操作， 极大地消耗系统的 CPU资源， 降低系统的处理能力。

由此可见， 在多个数据包的目的 IP地址相同的情况下， 为了减少进程 / 线程切换的次数， 以及减小系统调用开销， 现有技术可以将多个数据包共用 一个套接字发送。 但是， 当多个数据包的目的 IP地址不同时， 只能釆用为多 路音频各自创建单独的网络套接字发送的方式， 但是此种方式的系统调用、 路由查询开销以及进程 /线程切换的次数都会比较大。 现有技术每次釆用网络 套接字发送数据包的时候， 只能緩存一路数据包的目的 IP地址， 因此无法釆 用同一网络套接字发送多个目的 IP地址不同的数据包。 综上所述， 现有技术无法釆用同一网络套接字发送多路数据包。

发明内容

本发明实施例提供了一种发送多路数据包的方法及系统， 用以实现通过 同一网络套接字发送多路数据包， 提高发送多路数据包的工作效率。

本发明实施例提供的一种发送多路数据包的方法包括：

创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数据包的路由信息的路由緩存 数组；

获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述路由緩存数组中； 以及 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获取所述多路数 据包的路由信息， 并根据该路由信息将所述多路数据包发送出去。

本发明实施例提供的一种发送多路数据包的系统包括：

创建套接字单元， 其设置成创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数 据包的路由信息的路由緩存数组；

发送处理单元， 其设置成获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述 路由緩存数组中； 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获 取所述多路数据包的路由信息， 并根据该路由信息将所述多路数据包发送出 去。

本发明实施例， 通过创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数据包的 路由信息的路由緩存数组； 获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述路 由緩存数组中； 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获取 所述多路数据包的路由信息，并根据该路由信息将所述多路数据包发送出去， 从而实现了调用一次系统就可以发送多路数据包， 避免了发送一个数据包就 需要调用一次系统的繁瑣， 因此减少了发送多路数据包时系统调用的开销， 提高了发送多路数据包的工作效率。

附图概述

图 1为本发明实施例提供的一种发送多路数据包的总体方法的流程示意 图；

图 2为本发明实施例提供的网络协议栈系统调用的处理流程示意图； 图 3为本发明实施例提供的网络协议栈系统调用接口核心参数所使用的 数据结构示意图； 以及

图 4为本发明实施例提供的一种发送多路数据包的系统结构示意图。 本发明的较佳实施方式

本发明实施例提供了一种基于 Linux的网络协议栈实现高性能地发送多 路数据包的方法及系统， 在不影响 Linux 系统原有网络协议栈的情况下， 实 现通过同一网络套接字发送多路数据包， 尽量减少系统调用、 路由查询或者 进程 /线程切换引起的 CPU 消耗， 提高系统的处理能力， 并且提高发送多路 数据包的工作效率。

本发明实施例以发送的多路数据包为多路音频流为例进行说明， 当然， 本发明所述的多路数据包是指目的 IP地址不同的多个数据包。

下面结合附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图 1 , 本发明实施例提供的一种发送多路数据包的方法总体包括步 骤：

5101、 创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数据包的路由信息的路 由緩存数组。

5102、 获取多路数据包的路由信息并添加到路由緩存数组中。

5103、 当需要发送所述多路数据包时， 从路由緩存数组中获取多路数据 包的路由信息， 并根据每一路数据包的路由信息将该路数据包发送出去。

本发明实施例创建了一个网络套接字， 就可以实现多路音频流的发送， 并在该网络套接字内部实现多路音频流的路由信息的緩存机制， 以便该网络 套接字在服务多路音频流时无需反复进行路由查询操作。

本发明实施例使用一次系统调用， 就可以实现多路音频流的发送， 每一 次系统调用都能够为多路音频流的每一路音频流发送一个数据包， 需要说明 的是， 创建了一个网络套接字， 可能需要对多个用户多次发送数据包， 每次 发送数据包都需要调用一次发送系统， 但是本发明实施例每调用一次发送系 统， 可以对多个用户发送数据包， 即发送多路数据包。

本发明实施例在创建网络套接字的时候， 在网络套接字的内核緩存空间 为每一路音频流分配一个路由緩存单元， 一种简单的实现方法是分配一个路 由緩存数组， 用以緩存多路数据包的路由信息。

本发明实施例在创建了网络套接字之后的第一次调用发送系统发送多路 数据包时， 对于每一路音频流分别查询路由表获取该路音频流的路由信息， 并将每一路音频流的路由信息緩存到路由緩存数组中， 实现多路音频流对应 的路由信息的緩存功能。 路由緩存数组中緩存的每一路数据包的路由信息与 该路数据包的索引值相对应， 根据多路数据包中的每一路数据包的索引值， 就可以从该路由緩存数组中获取该索弓 I值所对应的该路数据包的路由信息。

在第一次调用发送系统发送多路数据包之后再次调用发送系统发送多路 数据包时， 对于每一路音频流， 无需再次查询路由表获取其路由信息， 而是 根据每一路音频流的索引值，直接从路由緩存数组的表项中获取其路由信息 , 完成数据包的路由查找功能， 从而可以将数据包快速发送出去。

本发明实施例在发送多路数据包完毕， 关闭该网络套接字的时候， 除了 进行普通的资源回收外， 还需要完成该路由緩存数组的释放。

本发明实施例在发送多路数据包的系统调用接口， 需要能够传入多个音 频数据包的信息， 包括音频数据包的载荷和对应的远端 IP地址和 UDP端口。 在系统调用内部， 对于每一路音频流， 根据其对应的索引值， 从路由緩存数 组中获取路由信息， 对音频数据包载荷封装之后， 按照路由信息将每一路音 频流发送出去。

本发明实施例中， 从路由緩存数组中获取的路由信息包括： 本端的下一 跳的 IP地址， 或者本端的下一跳的 IP地址和 MAC地址。

其中，根据本端的下一跳的 IP地址可以得到本端的下一跳的 MAC地址， 但是， 为了处理速度更快， 在路由緩存数组中除了緩存本端的下一跳的 IP地 址之外， 还可以进一步緩存本端的下一跳的 MAC地址， 以便直接获取本端 的下一跳的 MAC地址。

本发明实施例由于使用一个网络套接字、 进行一次系统调用， 就可以实 现多路音频流的发送， 因此可以避免由于服务多路用户而出现的多个进程 /线 程空间的反复切换。

本发明实施例的网络协议栈提供的网络套接字编程接口包括： 用于创建 网络套接字的 socket系统、用于关闭网络套接字的 close系统、用于实现高性 能发送多路数据包的 sendmsg系统。 所述的网络协议栈用于实现多路数据包 的路由信息緩存功能， 用于实现一次系统调用发送多路音频流， 与现有 Linux 内核的网络协议栈相比， 减少了将音频数据包打包发送过程中的路由查找开 销和系统调用开销。

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。

本发明实施例基于 Linux的网络协议栈实现高性能发送多路数据包的方 案中， 利用了原有的 Linux 网络协议栈， 该网络协议栈利用内核模块机制实 现， 所述内核模块的加载和卸载都不会影响 Linux内核原有的网络协议栈。

本发明实施例所述彩铃服务器的软硬件包括用户进程空间、 Linux内核空 间和硬件设备（包括网卡） 。 在硬件设备与用户进程之间是 Linux内核空间， 在该内核空间内的网卡驱动程序之上设置有网络协议栈， 该网络协议栈给用 户进程提供网络套接字编程接口， 该网络套接字编程接口主要包括 socket, close、 sendmsg等系统， 其中 socket系统用于创建网络套接字， close系统用 于关闭网络套接字， sendmsg系统用于实现高性能发送多路数据包。

本发明实施例实现的网络协议栈系统调用的处理流程如图 2所示， 本发 明实施例的硬件环境要求有网卡， 软件环境为网络功能正常的 Linux 内核。 为了实现高性能发送多路数据包的功能， 本发明实施例在 Linux 内核的基础 上创建了基于 AF— MULTI网络套接字类型的 MUTLI网络协议栈。 该网络协 议栈给用户进程提供 AF MUTLI类型的网络套接字编程接口。

本发明实施例实现的 sendmsg系统的定义及其解释如下：

定义： ssize t sendmsg(int socket, const struct msghdr *msg, int flags)。 功能： 通过网络套接字进行高性能发送多路音频流数据。 在该系统调用 内部实现多路路由信息的路由緩存功能和多路数据包的转发功能。

输入输出参数的说明：

socket 使用 socket系统调用创建的 AF— MUTLI网络套接字。

msg->msg— name 暂时不用， 置为 NULL。

msg -〉 msg— namelen 暂时不用, 置为 0。

msg->msg_iov 输入参数， 是指向 struct iovec数组的指针。 每个 struct iovec结构包含一路待发送音频流数据的緩冲区地址和长度。

msg->msg_iovlen 输入参数， 是用于存放 msg iov所指向的 struct iovec数组的长度。

msg->msg— control 输入输出参数， 输入时用于存放每个音频流数据 包的控制信息， 包括本端及对端的 IP地址和 UDP端口等； 输出时用于返回 发送失败或发送错误的数据包的索引值和错误码， 进一步还可以返回发送成 功的数据包的个数和发送失败的数据包的个数。

msg->msg_controllen 输入参数, 用于存放 msg— control信息的总长度。 msg->msg— flags 暂时不用， 置为 0。

flags 暂时不用， 置为 0。

关于 msg— control返回值的说明： 如果全部数据包都没有发送成功， 则通 过输出参数 msg— control返回 -1 , 并设置错误码 errno。 所谓错误码包括发送失 败的原因等信息。 如果全部数据包均发送成功， 则通过 msg— control返回 0。 如果部分数据包没有发送成功， 则通过 msg— control返回发送成功的数据包的 数目或发送失败的数据包的数目， 以及发送失败的数据包的索引值和相应的 错误码。

核心参数 msg的数据结构 struct msghdr如图 3所示， 包含 3个待发送的 音频流数据包。 构成音频流数据包的信息存放在参数 msg中， msg— iov字段 用于存放待发送音频流数据包的载荷信息， 包含用户数据緩冲区的地址和长 度信息， 作为音频流数据包的载荷； msg— control字段用于存放待发送音频流 数据包的头部信息， 包含远端的 IP地址和 UDP端口号等， 用于生成 IP数据 包的头部。

本发明实施例在调用 sendmsg系统时， 在内核空间为每一个待发送的音 频流数据包分配内核緩冲结构， 该内核緩冲结构的数据由两部分组成： 一部 分是音频流数据包的载荷， 该载荷是从 msg— iov中包含的载荷信息得到的； 另一部分是音频流数据包的头部信息， 包括本端 IP地址、 UDP端口和 MAC 地址信息， 从 msg— control中获取的远端 IP地址和 UDP端口， 以及从路由緩 存数组中得到的路由信息， 即本端的下一跳的 IP地址和 MAC地址。

下面结合附图介绍一下本发明实施例提供的系统。

参见图 4, 本发明实施例提供的一种发送多路数据包的系统包括： 创建套接字单元 41 , 用于创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数据 包的路由信息的路由緩存数组。

发送处理单元 42, 用于获取多路数据包的路由信息并添加到路由緩存数 组中； 当需要发送所述多路数据包时， 从路由緩存数组中获取多路数据包的 路由信息， 并根据该路由信息将多路数据包发送出去。

较佳地， 所述发送处理单元 42包括：

添加路由信息单元 421 , 用于获取多路数据包的路由信息并添加到路由 緩存数组中， 该路由緩存数组中緩存的每一路数据包的路由信息与该路数据 包的索引值相对应。

发送单元 422, 用于当需要发送所述多路数据包时， 根据多路数据包中 的每一路数据包的索引值， 从路由緩存数组中获取该索 1值对应的该路数据 包的路由信息， 并根据该路由信息将该路数据包发送出去。

较佳地， 所述发送单元 422包括：

路由信息获取单元 4221 , 用于当需要发送所述多路数据包时， 根据多路 数据包中的每一路数据包的索引值， 从路由緩存数组中获取该索弓 )值对应的 该路数据包的路由信息。

载荷获取单元 4222, 用于获取多路数据包的载荷。

头部信息获取单元 4223 , 用于获取所述多路数据包的头部信息， 其中包 括所述多路数据包的本地 IP地址、 网络套接字 UDP接口和多媒体接入控制 MAC地址， 远端 IP地址和 UDP接口， 以及路由信息。

封装处理单元 4224， 用于利用各路数据包的载荷及其头部信息生成多路 数据包， 并按照各路数据包的路由信息将该多路数据包发送出去。

例如， 对于多路音频流中的每一音频流， 将该音频流的载荷及头部信息 生成该音频流的 IP数据包， 并按照该音频流的路由信息将该 IP数据包发送 出去。

较佳地， 所述发送处理单元 42还包括：

结果反馈单元 423 , 用于输出发送成功的数据包的个数， 和 /或发送失败 的数据包的索引值及错误码。

较佳地， 该系统还包括：

关闭套接字单元 43 , 用于关闭网络套接字， 并释放路由緩存数组。 综上所述， 本发明实施例提供的方法及系统充分利用了原有 Linux 网络 协议栈的单路路由查询功能， 实现了多路路由緩存功能， 与现有的 Linux 内 核网络协议栈相比， 本发明实施例实现了使用一个网络套接字緩存多路数据 包的路由信息， 减少了多路数据包转发过程中的路由查找操作。 并且， 本发 明实施例利用了原有 Linux 内核网络协议栈中系统调用的数据结构， 通过一 次系统调用实现多路数据包转发功能， 避免了发送一个数据包就需要一次系 统调用的繁瑣操作， 减少了多路数据包转发过程中的系统调用开销。

需要说明的是， 上述网络协议栈的实现是通过软件实现的， 系统调用的 实现也是现有技术软件实现中所熟知的， 因此本发明实施例中不再赘述其具 体实现过程。 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。

工业实用性

本发明通过创建网络套接字， 其中包含用于緩存多路数据包的路由信息 的路由緩存数组； 获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述路由緩存数 组中； 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获取所述多路 数据包的路由信息， 并根据该路由信息将所述多路数据包发送出去， 从而实 现了调用一次系统就可以发送多路数据包， 避免了发送一个数据包就需要调 用一次系统的繁瑣， 因此减少了发送多路数据包时系统调用的开销， 提高了 发送多路数据包的工作效率。

Claims

权 利 要 求 书

1、 一种发送多路数据包的方法， 包括：

创建网络套接字， 所述网络套接字中包含用于緩存多路数据包的路由信 息的路由緩存数组；

获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述路由緩存数组中； 以及 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获取所述多路数 据包的路由信息， 并根据该路由信息将所述多路数据包发送出去。

2、根据权利要求 1所述的方法， 其中从所述路由緩存数组中获取所述多 路数据包的路由信息的所述步骤包括：

根据所述多路数据包中的每一路数据包的索引值从所述路由緩存数组中 获取该索弓 )值对应的路由信息， 得到所述多路数据包的路由信息。

3、根据权利要求 1所述的方法， 其中根据所述路由信息将所述多路数据 包发送出去的所述步骤包括：

获取多路数据包的载荷以及头部信息； 以及

利用各路数据包的载荷及其头部信息生成多路数据包， 并按照各路数据 包的路由信息将所述多路数据包发送出去。

4、根据权利要求 1或 2或 3所述的方法， 其中在将所述多路数据包发送 出去之后， 所述方法还包括：

关闭所述网络套接字， 并释放所述路由緩存数组。

5、根据权利要求 4所述的方法，其中在将所述多路数据包发送出去之后， 关闭所述网络套接字之前， 所述方法还包括：

输出发送成功的数据包的个数， 和 /或发送失败的数据包的索引值及错误 码。

6、 一种发送多路数据包的系统， 包括：

创建套接字单元， 其设置成创建网络套接字， 所述网络套接字中包含用 于緩存多路数据包的路由信息的路由緩存数组； 以及

发送处理单元， 其设置成获取所述多路数据包的路由信息并添加到所述 路由緩存数组中； 当需要发送所述多路数据包时， 从所述路由緩存数组中获 取所述多路数据包的路由信息， 并根据该路由信息将所述多路数据包发送出 去。

7、 根据权利要求 6所述的系统， 其中所述发送处理单元包括：

添加路由信息单元， 其设置成获取所述多路数据包的路由信息并添加到 所述路由緩存数组中， 所述路由緩存数组中緩存的每一路数据包的路由信息 与该路数据包的索引值相对应； 以及

发送单元， 其设置成当需要发送所述多路数据包时， 根据所述多路数据 包中的每一路数据包的索引值， 从所述路由緩存数组中获取该索 ^ I值对应的 该路数据包的路由信息， 并根据该路由信息将该路数据包发送出去。

8、 根据权利要求 7所述的系统， 其中所述发送单元包括：

路由信息获取单元， 其设置成当需要发送所述多路数据包时， 根据所述 多路数据包中的每一路数据包的索引值， 从所述路由緩存数组中获取该索弓 ) 值对应的该路数据包的路由信息；

载荷获取单元， 其设置成获取所述多路数据包的载荷；

头部信息获取单元， 其设置成获取所述多路数据包的头部信息； 以及 封装处理单元， 其设置成利用各路数据包的载荷及其头部信息生成多路 数据包， 并按照各路数据包的路由信息将所述多路数据包发送出去。

9、 根据权利要求 7或 8所述的系统， 其中所述发送处理单元还包括： 结果反馈单元， 其设置成输出发送成功的数据包的个数， 和 /或发送失败 的数据包的索引值及错误码。

10、 根据权利要求 6所述的系统， 还包括：

关闭套接字单元， 其设置成关闭所述网络套接字， 并释放所述路由緩存 数组。