楊春艷

（山東城市建設職業(yè)學院，山東 濟南 250000）

現(xiàn)代網(wǎng)絡數(shù)據(jù)越來越繁雜，為了更好地讓用戶獲取相關信息，就需要對網(wǎng)絡通信性能進行進一步的提升，解決傳統(tǒng)協(xié)議棧機制中存在的問題，利用輕量級空間棧的優(yōu)勢以及固有內核空間棧的完備性來構建網(wǎng)絡通信新思路[1]。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，本文著重使用了數(shù)據(jù)包的分析分發(fā)和無內存拷貝的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)包協(xié)議數(shù)據(jù)進行提取，結合信息的內容分發(fā)給不同的程序，實現(xiàn)共享，避免數(shù)據(jù)包的復制，有利于提高通信的性能[2]。內核棧應用和用戶棧應用在通信時受到不同的地理空間影響，要想保證用戶棧對內核棧的透明性，就需要實現(xiàn)不同主機的相互通信，這樣減少用戶空間棧的開發(fā)工作量。在處理數(shù)據(jù)流時，需要保證用戶棧系統(tǒng)與內核棧系統(tǒng)有統(tǒng)一的接口，把數(shù)據(jù)報文注入到內核系統(tǒng)中[3]。除了不同主機之間的通信，還會遇到同一主機的用戶棧應用程序通信，網(wǎng)絡設備、內核虛擬端口、應用程序都可以作為交換系統(tǒng)的一個端口，運用交互的方式把相關的數(shù)據(jù)都發(fā)送到各個系統(tǒng)中，使用交互系統(tǒng)可以更好地把繁雜的數(shù)據(jù)處理為簡單的數(shù)據(jù)報文，更有利于數(shù)據(jù)的交換。

在新的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計中，接收到的數(shù)據(jù)報文都是先進入到用戶空間網(wǎng)絡系統(tǒng)中，再由該系統(tǒng)進入交換系統(tǒng)，識別程序中的數(shù)據(jù)流，把相關的數(shù)據(jù)都傳送到用戶棧，通過虛擬網(wǎng)卡把這些數(shù)據(jù)流都加入到系統(tǒng)中，然后運用到應用程序中[4]。從應用程序發(fā)送到外部的數(shù)據(jù)，經(jīng)過封裝、交換發(fā)送出去。用戶空間協(xié)議棧和內核空間協(xié)議棧的相互配合，可以更好地保證整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定。對于維護系統(tǒng)通信性能具有一定的價值，能夠降低維修的成本，高效便捷的應用到環(huán)境中。

1 基于解析分發(fā)和無內存拷貝的交換系統(tǒng)

1.1 交換系統(tǒng)中的解析分發(fā)

交換系統(tǒng)是通過尋址信息和網(wǎng)控指令以信號導向，在電信網(wǎng)中多對用戶間建立信號通路的系統(tǒng)。交換系統(tǒng)可以識別同一主機上的不同用戶棧應用程序的數(shù)據(jù)報文，能夠分發(fā)給相應的程序[5]。要對數(shù)據(jù)報文進行相應的解析，使用交換規(guī)則把其傳送到不同的應用程序中。在整個運轉過程中，當其進入到交換系統(tǒng)時，這時系統(tǒng)就會對接收到的信息進行分析，利用不同的協(xié)議來區(qū)分數(shù)據(jù)包的描述信息，再把這些信息發(fā)送到對應的協(xié)議棧中，使其和數(shù)據(jù)包相對應。首先這些信息要和配置表相對應，根據(jù)目標接收隊列，把這些內容融入到對列中，這樣才能形成完整的應用程序分發(fā)工作。

管理程序會根據(jù)應用程序的相關內容來繪制表格，該表格是由掩碼、字段信息和目標隊列組成的，在存儲的過程中是按照相關的順序來完成的。二者在進行匹配時，數(shù)據(jù)報文在進入到轉發(fā)系統(tǒng)中后，會和結合生成的信息進行相應的匹配，最后找到相對應的接收隊列端口，最終完成分發(fā)的工作。

1.2 無內存拷貝的數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)報文在傳輸?shù)倪^程中會封裝分組、包、幀來進行傳輸，多數(shù)會出現(xiàn)數(shù)據(jù)拷貝的問題，數(shù)據(jù)拷貝我就會出現(xiàn)大量訪問，影響到系統(tǒng)的運行，使用交換系統(tǒng)可以解決這一問題。

數(shù)據(jù)報文是網(wǎng)絡中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，當進入用戶棧交換系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的相關信息都是一一對應的。數(shù)據(jù)報文在每個程序中相互運轉，可以對數(shù)據(jù)包中的信息進行交換，這樣可以更好地降低數(shù)據(jù)報文的拷貝，不用再進行拷貝數(shù)據(jù)的交換。數(shù)據(jù)包都是存在各個程序共享的內存中，可以映射到相同的虛擬空間地址，當進入到交換系統(tǒng)時，就會自動生成報文信息，利用該系統(tǒng)的交互性對其進行分配，把其發(fā)送到相應的接收隊列中。在這一過程中，數(shù)據(jù)包描述信息會在不同的系統(tǒng)中進行轉換。在交換的過程中，數(shù)據(jù)包內容不會進行移動、拷貝，這樣可以更好地提高系統(tǒng)的運行效果，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 控制平面程序和基于服務地址的通信

2.1 控制平面程序

在進行動態(tài)配置時，要考慮到應用程序的實際情況。不僅要對用戶棧程序的數(shù)據(jù)報文進行協(xié)議棧封裝，還要根據(jù)相應的地址對其進行維護，這在一定程度上會加大工作人員的維護工作量。如果運用ARP來實現(xiàn)，也會增加開發(fā)的工作量，在建立通信時容易出現(xiàn)延時?？梢岳每刂破矫娉绦騺斫鉀Q上面的問題，在使用用戶棧程序時，可以先注冊，依靠本地的程序來合理優(yōu)化資源配置，運用轉發(fā)規(guī)則來進入交換系統(tǒng)。利用集中管理模塊可以達到同時分發(fā)到用戶棧程序的協(xié)議棧信息。這樣的好處是可以避免不必要的開銷，因為在通信過程中所有的協(xié)議棧信息都是固定的，在轉發(fā)過程中數(shù)據(jù)流也都是明確的，這樣有利于更好地處理配置信息，管理程序間的數(shù)據(jù)通信可以抽象為控制平面數(shù)據(jù)流。運用不同的處理方式，讓整個處理過程更加的明晰。

可以把子模塊的管理與配置信息看作抽象控制平面，它們構成了通信協(xié)議棧架構。在使用的過程中要對子模塊進行檢測，這樣才能保證信息可以同步。利用控制平面對信息進行相應的調整、處理，根據(jù)配置信息的變動，使得信息可以及時被更新。

合理的配置信息在轉發(fā)前要做好規(guī)劃工作，再把數(shù)據(jù)報文的內容進行轉發(fā)，這樣可以減少數(shù)據(jù)平面的處理邏輯，有利于提高數(shù)據(jù)包的處理效率，滿足大量的網(wǎng)絡通信。這樣做可以更好地提高網(wǎng)絡的通信效率，避免出現(xiàn)延時的問題，系統(tǒng)協(xié)同運作可以滿足不同網(wǎng)絡服務的需求，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡的傳輸性能。

2.2 基于服務地址的通信

傳統(tǒng)應用程序在進行網(wǎng)絡通信時使用SocketAPI,在使用過程中用到的網(wǎng)絡地址、端口號和應用程序相關性比較少。在分布式系統(tǒng)中，會出現(xiàn)多個主機應用程序，當主機存在問題，可以通過動態(tài)切換的方式應用到其他主機程序上，在切換過程中就會出現(xiàn)網(wǎng)絡地址的變化，需要應用程序來解決這一變化。在新的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，可以把服務地址引入其中，讓用戶在使用程序時，可以根據(jù)提供服務的地址來進行編寫，保證可以應用該程序。用不同實例號來區(qū)分地址，保證控制面可以更好地服務于協(xié)議地址，保證維護服務地址和它的對應，從而明確應用程序。這樣的好處是可以優(yōu)化應用程序的步驟，便于管理網(wǎng)絡系統(tǒng)中的協(xié)議信息，使用服務地址可以使得網(wǎng)絡通信更加的透明。

為了把服務地址轉化為網(wǎng)絡通信地址，就可以在網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中使用服務地址索引的指針數(shù)組，這樣能夠更加高效地找到網(wǎng)絡通信協(xié)議信息所在的位置。服務地址也就是服務器的IP地址，可以把互聯(lián)網(wǎng)上的主機分配的32位地址連接起來，讓用戶可以更好地操作計算機。協(xié)議棧地址存儲都是依據(jù)服務地址的數(shù)量而來，具有一定的上限性，可以通過指針數(shù)組來維護，保證服務地址和協(xié)議棧地址的對應，所占用的空間較少，可以更好地面對大量冗雜的數(shù)據(jù)。服務地址對應的協(xié)議數(shù)據(jù)的指針下標公式如下：指針下標=服務號×最大實例數(shù)+實例號。比如，服務中的服務號為4，實例號為2，服務的最大實例數(shù)為9，則該服務地址對應的協(xié)議數(shù)據(jù)指針位置為：4×9+2=38。根據(jù)指針的指向情況就會找到相對應的協(xié)議棧數(shù)據(jù)的位置，要想獲得協(xié)議數(shù)據(jù)可以通過應用程序的服務地址來訪問完成，提升相應的訪問效率。

3 內核棧應用與用戶棧應用的通信

當用戶棧和內核棧在地址格式上不同時，前者多會采用服務地址來進行通信，后者應用程序使用TCP/IP網(wǎng)絡地址通信，服務地址與網(wǎng)絡地址有了唯一的對應關系。當二者的應用在進行通信時又該如何進行處理，在處理的過程中應該使用怎樣的地址信息，二者之間是否會出現(xiàn)協(xié)議地址的沖突，以下對上述情況進行分析。首先，當兩個應用在不同主機上時，內核棧程序可以把相應的內容發(fā)送給用戶棧程序，這時可以用到TCP/IP網(wǎng)絡地址，內核棧要對ARP物理地址進行相應的解析，通過ARP數(shù)據(jù)報文在兩臺主機的內核之間傳送，完成二者之間的產(chǎn)生和終止，利用用戶空間協(xié)議棧來實現(xiàn)外部網(wǎng)絡。在完成協(xié)議封裝后，就可以通過用戶棧把信息發(fā)送到網(wǎng)絡中，通過移動客戶端把內容發(fā)送到相應的主機上，運用交換和分發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶棧應用程序。當用戶棧程序向內核棧程序發(fā)送數(shù)據(jù)時，會用到服務地址。管理程序在獲取協(xié)議地址時可以通過替代的方式來使用對端應用程序，把服務地址和對端的協(xié)議地址聯(lián)系在一起。在服務地址注冊的過程中，可以完成整個學習與交換的過程，這樣可以不用再出現(xiàn)初次通信時的ARP過程。

其次，當傳統(tǒng)棧程序與用戶棧程序在同一主機時，容易引發(fā)UDP端口的沖突問題，如果在使用前者程序時，就需要運用到本地地址的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，這時內核棧會結合路由表，而不是把數(shù)據(jù)報文發(fā)送出去，這樣就不能被用戶棧的交換系統(tǒng)捕捉到數(shù)據(jù)報文轉發(fā)給內核棧了。

要想解決主機內部的通信問題，可以利用用戶棧程序來解決這一問題。如圖1所示，用戶棧程序代理可以使得管理程序功能得到實現(xiàn)。在傳統(tǒng)棧使用的地址與服務端口上綁定用戶棧，這樣可以更好地解決傳輸層端口的占用問題，避免服務端口出現(xiàn)沖突，還能夠解決本機的數(shù)據(jù)報文問題，把內容發(fā)送到交換系統(tǒng)中，分發(fā)給其他用戶。在使用用戶棧應用發(fā)送數(shù)據(jù)報文給傳統(tǒng)棧應用時就不會出現(xiàn)這一問題，只要使用用戶棧API就能夠完成發(fā)送的任務，把用戶棧交換系統(tǒng)加入到系統(tǒng)內核棧中，形成完整的數(shù)據(jù)報文發(fā)送工作。這一方案可以在一定程度上保證傳統(tǒng)棧應用的一致性，但是提高了費用的開銷，不利于通信功能的穩(wěn)定性。

圖1 同一主機上內核棧用戶棧應用通過代理通信

為了可以更好地解決通信的問題，可以使用DNAT方法。內核棧程序和用戶棧程序在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，可以使用上述的方法，有目的性地把數(shù)據(jù)報文的地址重新定向為虛擬地址，數(shù)據(jù)報文就可以通過相關的網(wǎng)絡設備被發(fā)送到指定的交換系統(tǒng)中，結合轉發(fā)的規(guī)則對其合理分配，有目的性地把地址設為虛擬地址，用UDP端口把其轉發(fā)給用戶棧應用，保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸，這樣做可以進一步拓展交換系統(tǒng)的延展性。反向的數(shù)據(jù)報文也就是把目的地址變?yōu)楸镜氐刂?，使用交換系統(tǒng)把虛擬網(wǎng)口加入到操作的系統(tǒng)中，再返回到內核應用程序中。在傳輸?shù)倪^程中要注意一個問題就是，在使用內核協(xié)議棧時應該考慮到默認接收的地址，當想換地址時要對網(wǎng)絡端口進行重新設置：accept_local=1。

4 結束語

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，為了解決網(wǎng)絡通信的問題，本文對傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議棧的通信性能進行了分析，設計出了輕量級用戶空間網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，把用戶空間協(xié)議棧與傳統(tǒng)內核空間協(xié)議棧進行結合，這樣可以提高網(wǎng)絡協(xié)議棧的運行效率，降低成本，滿足網(wǎng)絡通信的需求，保證內核空間協(xié)議棧的可靠性，降低成本維護費用，滿足網(wǎng)絡通信的高效需求。■