對Windows TCP／IP協(xié)議棧的一種簡化設(shè)計(jì)

摘要：為了讓Windows下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)快速發(fā)送與接收，提高實(shí)時(shí)性能，采用對Windows TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行一種簡化設(shè)計(jì)，通過利用Windows提供的用戶與設(shè)備對象的交互，減少Windows從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的分層，對Socket層進(jìn)行簡單的封裝，并且利用零拷貝技術(shù)減少數(shù)據(jù)的拷貝次數(shù)以及設(shè)置多級優(yōu)先級隊(duì)列使數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級發(fā)送，從而使數(shù)據(jù)達(dá)到快速發(fā)送和接收的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種方法能達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；協(xié)議驅(qū)動；TCP／IP；零拷貝；優(yōu)先級隊(duì)列

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對信息傳遞的速度及對大信息量的傳輸都有進(jìn)一步需求，在這樣的情況下，無論是對于硬件要求還是軟件方面的要求都在提升。而在相同的硬件條件下，如何提高通信的速度、實(shí)時(shí)性能，軟件的優(yōu)劣在很大程度上影響著這些方面。由于Windo ws的廣泛使用和其方便完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支持，針對Windows的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)不斷增加，然而由于Windows系統(tǒng)為了包容多種協(xié)議以及Windows分層驅(qū)動的特點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)從用戶應(yīng)用程序到網(wǎng)卡經(jīng)過的驅(qū)動層數(shù)很多，勢必導(dǎo)致數(shù)據(jù)的延遲增加，這對那些要求通信實(shí)時(shí)性能較高的系統(tǒng)來說是無法容忍的。所以研究Windows網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，對TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行優(yōu)化，使之適合于對于特定要求的系統(tǒng)，有很重要的研究意義和價(jià)值。

1 Windows網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)

如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)的Windows網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的最底層是網(wǎng)卡，網(wǎng)卡通過NDIS與網(wǎng)卡(NIC)驅(qū)動程序通信，網(wǎng)卡驅(qū)動程序又通過NDIS與協(xié)議驅(qū)動程序通信。在NIC驅(qū)動程序和協(xié)議驅(qū)動程序之間還可以插進(jìn)去一個(gè)中間驅(qū)動程序。在協(xié)議驅(qū)動程序的上邊，是內(nèi)核模式TDI客戶驅(qū)動程序，通過TDI接口同協(xié)議驅(qū)動程序交互。再往上，則是用戶模式的動態(tài)連接庫(提供WIN32 NETAPI)及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

從圖1中可以看出，用戶層編寫網(wǎng)絡(luò)程序與其他主機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)需要經(jīng)過Sockets接口，TDI客戶，TDI傳輸驅(qū)動接口，MDIS協(xié)議驅(qū)動(TCP／IP協(xié)議棧)，NIC驅(qū)動程序，網(wǎng)卡，可以看出數(shù)據(jù)從用戶提交給網(wǎng)卡的分層很多，Windows操作系統(tǒng)利用這種分層設(shè)計(jì)的方法，有諸多好處，開發(fā)人員可以只關(guān)注整個(gè)結(jié)構(gòu)中的某一層；分層可以降低層與層之間的依賴，既可以良好地保證未來的可擴(kuò)展，在復(fù)用性上也是很好的優(yōu)勢。但是分層結(jié)構(gòu)也不可避免具有一些缺陷，一方面，分層過多會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降，因?yàn)椴徊捎梅謱咏Y(jié)構(gòu)，很多業(yè)務(wù)可以直接造訪數(shù)據(jù)庫，以此獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如今卻必須通過中間層來完成，其中需要處理數(shù)據(jù)通過各層的信息等操作，這些都降低了系統(tǒng)性能；另一方面是數(shù)據(jù)的拷貝次數(shù)增多，數(shù)據(jù)拷貝操作不單需要占用CPU時(shí)間片，同時(shí)也需要占用額外的內(nèi)存帶寬，這就增加了系統(tǒng)開銷。這些消耗都會造成數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲增加，這對于那些對實(shí)時(shí)性能有特別要求的而又需要利用Windows平臺的系統(tǒng)來說，這是很難容忍的。

2 對Windows TCP／IP協(xié)議棧的簡化設(shè)計(jì)

由于Windows網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層較多，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能得不到體現(xiàn)，一種策略是簡化現(xiàn)今Windows TCP／IP協(xié)議棧，減少分層；另一方面，利用零拷貝技術(shù)減少拷貝次數(shù)，減少系統(tǒng)性能消耗；可以采用多級優(yōu)先級隊(duì)列，讓優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)比優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送的基本策略，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法進(jìn)行處理。通過這幾個(gè)方面的改進(jìn)，可以一定程度上彌補(bǔ)Windows系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信延遲較大的缺陷。

如圖2所示，第1層為用戶應(yīng)用層；第2層是協(xié)議驅(qū)動，里面包括簡化了的TCP／IP協(xié)議棧，只保留TCP，UDP，ARP，ICMP協(xié)議，并且對Wind ows中的AFD驅(qū)動模塊簡化，一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等就存放在設(shè)備擴(kuò)展中；第3層是網(wǎng)卡驅(qū)動，第4層就是具體收發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)卡。在這幾層里面第2層是最關(guān)鍵的部分，下面就具體如何設(shè)計(jì)進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹。

2．1 采用零拷貝技術(shù)

簡單一點(diǎn)來說．零拷貝就是一種避免CPU將數(shù)據(jù)從一塊存儲拷貝到另外一塊存儲的技術(shù)。零拷貝技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)拷貝和共享總線操作的次數(shù)，消除傳輸數(shù)據(jù)在存儲器之間不必要的中間拷貝次數(shù)，從而有效地提高數(shù)據(jù)傳輸效率。而且，零拷貝技術(shù)減少了用戶應(yīng)用程序地址空間和操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間之間因?yàn)樯舷挛那袚Q而帶來的開銷。在本文中對于TCP／IP協(xié)議棧，采用零拷貝技術(shù)，避免操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝操作，可以大大提高系統(tǒng)性能。

在接收發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用NDIS中的NDIS_PACKET包描述符，包描述符中包含了數(shù)據(jù)包的總長度，指向第一個(gè)緩沖描述符NDIS_BUFFER的指針，緩沖描述符NDIS_BUFFER里面的Start Virtual Address才是指向真正的數(shù)據(jù)所在的首地址以及包含了此緩沖中的數(shù)據(jù)長度。利用這個(gè)NDIS_PACKET包描述符，可以實(shí)現(xiàn)無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝，只要獲得包描述符即可。

當(dāng)用戶數(shù)據(jù)提交給內(nèi)核緩沖區(qū)時(shí)，采用直接I／O的方式，在內(nèi)核中需要分配一個(gè)包首部的大小，用于TCP／IP協(xié)議層加上各層的首部，并且把該首部地址以及用戶緩沖區(qū)地址用NDIS_PACKET包描述符封裝。當(dāng)發(fā)包線程把NDIS_PACKET包提交給協(xié)議棧處理時(shí)，不需要把包描述符中的數(shù)據(jù)拷貝到新的緩沖區(qū)中，可以直接利用NDIS提供的函數(shù)得到數(shù)據(jù)的首地址，以及數(shù)據(jù)包的總長度等。在協(xié)議棧中添加上各層首部以及其他操作后，就可以調(diào)用發(fā)包函數(shù)把NDIS_PACKET包描述符提交給網(wǎng)卡驅(qū)動，網(wǎng)卡驅(qū)動通過DMA把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)卡環(huán)形緩沖區(qū)中，再由網(wǎng)卡發(fā)送出去。

反之，在收包時(shí)，網(wǎng)卡通過DMA把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)核緩沖區(qū)中，網(wǎng)卡驅(qū)動程序中依然用包描述符來指明數(shù)據(jù)的地址，大小等信息。在收包處理線程中，對數(shù)據(jù)包的拆包等操作，同樣的不需要拷貝到新的緩沖區(qū)中，利用包描述符提供的包地址，大小等信息進(jìn)行處理即可。