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

2．2 設(shè)置多級(jí)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中，由于有些緊急數(shù)據(jù)希望盡快發(fā)送出去提交給目的主機(jī)，而曰前的Windows系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制并沒有提供這樣的功能?？梢酝ㄟ^采用多級(jí)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的方式來達(dá)到一定的實(shí)時(shí)效果，比如對(duì)于緊急數(shù)據(jù)，可以設(shè)置最高優(yōu)先級(jí)值，而一般數(shù)據(jù)就可以設(shè)置最低優(yōu)先級(jí)值。在用戶應(yīng)用程序中，對(duì)發(fā)送函數(shù)進(jìn)行封裝，新的發(fā)送函數(shù)有個(gè)優(yōu)先級(jí)參數(shù)，通過指明優(yōu)先級(jí)參數(shù)值靈活處理數(shù)據(jù)，當(dāng)提交給內(nèi)核時(shí)，就按照優(yōu)先級(jí)值放到相對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中。相應(yīng)的在內(nèi)核收包、發(fā)包緩沖區(qū)中，設(shè)置多級(jí)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，按照多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法進(jìn)行處理，每個(gè)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)不同，并且每個(gè)隊(duì)列的被處理的時(shí)間不同，各個(gè)隊(duì)列的時(shí)間片是隨著優(yōu)先級(jí)的減少而增加的，優(yōu)先級(jí)越高的隊(duì)列中它的被線程處理的時(shí)間也就越短。比如緊急數(shù)據(jù)放到最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，遲緩的數(shù)據(jù)可以放到最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，在內(nèi)核的發(fā)包線程中，首先判斷最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列是否為空，不為空則優(yōu)先發(fā)送該隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，當(dāng)該隊(duì)列的時(shí)間用完，如果該隊(duì)列還有包沒有處理完，則把這些包鏈接到低一級(jí)的隊(duì)列尾部，然后判斷低一級(jí)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列是否為空，重復(fù)以上的操作依次進(jìn)行下去，當(dāng)對(duì)最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列處理完后，再循環(huán)處理。如果線程在處理第i隊(duì)列的數(shù)據(jù)時(shí)，這時(shí)候有新的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)入到比i隊(duì)列優(yōu)先級(jí)高的j隊(duì)列中，則線程處理完該數(shù)據(jù)就立即去處理j隊(duì)列，這個(gè)可以用一個(gè)掩碼mask，每一位標(biāo)識(shí)一個(gè)隊(duì)列，當(dāng)隊(duì)列不為空，則該標(biāo)識(shí)位置為1，否則置為0。

2．3 封裝Socket層

創(chuàng)建Socket套接字，就是打開設(shè)備對(duì)象(第一次是創(chuàng)建，之后就是打開)，而打開設(shè)備對(duì)象就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核文件對(duì)象，這個(gè)內(nèi)核文件對(duì)象其實(shí)就可以映射創(chuàng)建的Socket套接字。對(duì)于打開設(shè)備對(duì)象，就可以用CreateFile()函數(shù)，并且把返回的句柄定義為Socekt句柄，之后的操作就可以直接用這個(gè)Socket句柄進(jìn)行操作，如send()函數(shù)，可以用WriteFile()函數(shù)封裝實(shí)現(xiàn)；Receive()函數(shù)可以用ReadFile()函數(shù)封裝實(shí)現(xiàn)；bind()函數(shù)、setsockopt()函數(shù)、getsockopt()函數(shù)都可以通過DeviceIoControl()函數(shù)封裝實(shí)現(xiàn)。為了真正實(shí)現(xiàn)打開設(shè)備等操作，需要在協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序中塒各個(gè)用戶應(yīng)用程序下達(dá)的IRP請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，用派遣函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。在圖2中，用戶程序可以通過新封裝好的Socket層，使用原來同樣的Socket編程語句，這樣使用戶使用起來感覺沒有差別，對(duì)用戶是透明的。

2．4 協(xié)議驅(qū)動(dòng)

在應(yīng)用程序中，對(duì)同一個(gè)線程環(huán)境下的文件句柄的讀，寫等，映射到內(nèi)核中的IRP I／O堆棧的內(nèi)核文件對(duì)象File()bject是同一個(gè)File()bject，這樣可以用內(nèi)核文件對(duì)象作為紐帶作用。在協(xié)議驅(qū)動(dòng)的設(shè)備擴(kuò)展NDISPROT_OPEN_CONTEXT結(jié)構(gòu)體內(nèi)，建立一個(gè)File Port鏈表，如圖3所示。鏈表的每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含有內(nèi)核文件對(duì)象、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、端口號(hào)、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小等兒部分。內(nèi)核文件對(duì)象用來標(biāo)識(shí)是哪一個(gè)用戶Socket句柄；接收、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用來存放Socket的接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)；端口號(hào)的作用是讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包可以知道提交到哪個(gè)內(nèi)核文件對(duì)象下的接收緩沖區(qū)；接收、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小指明接收、發(fā)送緩沖區(qū)最大的長(zhǎng)度。如果緩沖區(qū)隊(duì)列滿，而這時(shí)候又有數(shù)據(jù)過來，則該數(shù)據(jù)應(yīng)被丟棄。在協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序里面，利用這個(gè)FilePort鏈表，可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)置接收、發(fā)送緩沖區(qū)的大小等操作。

需要注意的是在NDISPROT_OPEN_CONTEXT結(jié)構(gòu)體內(nèi)，需創(chuàng)建一個(gè)NPROT_LOCK類型的鎖，用來對(duì)FilePort鏈表進(jìn)行互斥訪問。

2．4．1 端口號(hào)的綁定

在協(xié)議驅(qū)動(dòng)設(shè)備擴(kuò)展中需要建立一張表，里面存放已默認(rèn)分配的端口號(hào)以及用戶綁定的端口號(hào)，端口號(hào)是從小到大按序排列，表的作用是當(dāng)用戶應(yīng)用程序綁定端口號(hào)操作時(shí)，首先會(huì)通過二叉查找法查找這張表，看該端口號(hào)是否存放在該表中，如果找到，則要返回給應(yīng)用程序綁定失敗，如果沒有找到，則把該端口號(hào)插入到適當(dāng)位置，并返回給應(yīng)用程序綁定成功。用戶應(yīng)用程序通過調(diào)用bind()函數(shù)實(shí)現(xiàn)綁定Socket套接字，其含義就是用端口號(hào)來惟一標(biāo)識(shí)用戶線程下的Socket，讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包提交給正確的Socket，在bind函數(shù)里面可以通過封裝DeviceIo Control函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。

2．4．2 發(fā)送數(shù)據(jù)過程

用戶應(yīng)用程序發(fā)送的IRP寫請(qǐng)求(WriteFile()函數(shù))，傳遞到協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序后，調(diào)用派遣函數(shù)NdisProtWrite，通過IRP I／O堆棧里面的內(nèi)核文件對(duì)象循環(huán)遍歷FilePort鏈表找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，然后把用戶應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通過緩沖區(qū)讀寫設(shè)備的方式拷貝到NDISPROT_OPEN_CONTEXT結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的Priority SendQueue優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中。如圖3所示，發(fā)包線程的工作主要有，從Priority SendQueue優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中提取數(shù)據(jù)，如何提取按照多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法處理，經(jīng)過簡(jiǎn)化的TCP／IP協(xié)議棧，然后再調(diào)用NdisSendPackets函數(shù)發(fā)送給網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序。在TCP／IP協(xié)議棧中，把該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)值賦值給IP首部的服務(wù)類型(TOS)字段中，使收包的時(shí)候根據(jù)此字段的優(yōu)先級(jí)值把包放進(jìn)相應(yīng)的收包優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中。

2．4．3 接收數(shù)據(jù)過程

協(xié)議驅(qū)動(dòng)從網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包是打包封裝好的，首先存放在NDISPROT_OPEN_CONTEXT結(jié)構(gòu)的收包優(yōu)先級(jí)隊(duì)列Pri ority RecvQueue中，這樣可以接收到高速上傳過來的底層數(shù)據(jù)。如圖3所示，需要建立一個(gè)收包處理線程，它的主要工作是，從收包優(yōu)先級(jí)隊(duì)列提取數(shù)據(jù)，具體算法根據(jù)上面的多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法，然后經(jīng)由TCP／IP協(xié)議棧的處理，如果是UDP，TCP的數(shù)據(jù)包則通過包的目的端口號(hào)，遍歷FilePort鏈表找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，然后把剩下的凈數(shù)據(jù)提交給節(jié)點(diǎn)(目標(biāo)Socket)的收包緩沖區(qū)中。值得注意的是，因?yàn)镹DIS封裝數(shù)據(jù)用的是NDIS_PACKET結(jié)構(gòu)，NDIS_PACKET結(jié)構(gòu)里面包含一個(gè)NDIS_BUFFER結(jié)構(gòu)的鏈表，在每個(gè)NDIS_BUFFER里面才真正指向數(shù)據(jù)的首地址，這里說的提交，并沒有拷貝數(shù)據(jù)，只是把凈數(shù)據(jù)的首地址再次鏈接到FilePort鏈表中。當(dāng)用戶應(yīng)用程序通過Receive()函數(shù)接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)調(diào)用ReadFile()函數(shù)，發(fā)出讀IRP請(qǐng)求，IRP到達(dá)協(xié)議驅(qū)動(dòng)后，調(diào)用NdisProtRead()派遣函數(shù)處理，NdisProtRead()會(huì)通過IRP I／O堆棧里面的內(nèi)核文件對(duì)象，遍歷FilePort鏈表，找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，再把節(jié)點(diǎn)接收緩沖區(qū)里面的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)里面。