對Windows TCP／IP協(xié)議棧的一種簡(jiǎn)化設計

2．2 設置多級優(yōu)先級隊列

在網(wǎng)絡(luò )數據傳輸中，由于有些緊急數據希望盡快發(fā)送出去提交給目的主機，而曰前的Windows系統網(wǎng)絡(luò )傳輸機制并沒(méi)有提供這樣的功能?？梢酝ㄟ^(guò)采用多級優(yōu)先級隊列的方式來(lái)達到一定的實(shí)時(shí)效果，比如對于緊急數據，可以設置最高優(yōu)先級值，而一般數據就可以設置最低優(yōu)先級值。在用戶(hù)應用程序中，對發(fā)送函數進(jìn)行封裝，新的發(fā)送函數有個(gè)優(yōu)先級參數，通過(guò)指明優(yōu)先級參數值靈活處理數據，當提交給內核時(shí)，就按照優(yōu)先級值放到相對應的優(yōu)先級隊列中。相應的在內核收包、發(fā)包緩沖區中，設置多級優(yōu)先級隊列，按照多級反饋隊列調度算法進(jìn)行處理，每個(gè)隊列的優(yōu)先級不同，并且每個(gè)隊列的被處理的時(shí)間不同，各個(gè)隊列的時(shí)間片是隨著(zhù)優(yōu)先級的減少而增加的，優(yōu)先級越高的隊列中它的被線(xiàn)程處理的時(shí)間也就越短。比如緊急數據放到最高優(yōu)先級隊列中，遲緩的數據可以放到最低優(yōu)先級隊列中，在內核的發(fā)包線(xiàn)程中，首先判斷最高優(yōu)先級隊列是否為空，不為空則優(yōu)先發(fā)送該隊列中的數據包，當該隊列的時(shí)間用完，如果該隊列還有包沒(méi)有處理完，則把這些包鏈接到低一級的隊列尾部，然后判斷低一級優(yōu)先級隊列是否為空，重復以上的操作依次進(jìn)行下去，當對最低優(yōu)先級隊列處理完后，再循環(huán)處理。如果線(xiàn)程在處理第i隊列的數據時(shí)，這時(shí)候有新的用戶(hù)數據進(jìn)入到比i隊列優(yōu)先級高的j隊列中，則線(xiàn)程處理完該數據就立即去處理j隊列，這個(gè)可以用一個(gè)掩碼mask，每一位標識一個(gè)隊列，當隊列不為空，則該標識位置為1，否則置為0。

2．3 封裝Socket層

創(chuàng )建Socket套接字，就是打開(kāi)設備對象(第一次是創(chuàng )建，之后就是打開(kāi))，而打開(kāi)設備對象就會(huì )創(chuàng )建一個(gè)內核文件對象，這個(gè)內核文件對象其實(shí)就可以映射創(chuàng )建的Socket套接字。對于打開(kāi)設備對象，就可以用CreateFile()函數，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，可以用WriteFile()函數封裝實(shí)現；Receive()函數可以用ReadFile()函數封裝實(shí)現；bind()函數、setsockopt()函數、getsockopt()函數都可以通過(guò)DeviceIoControl()函數封裝實(shí)現。為了真正實(shí)現打開(kāi)設備等操作，需要在協(xié)議驅動(dòng)程序中塒各個(gè)用戶(hù)應用程序下達的IRP請求進(jìn)行響應，用派遣函數就可以實(shí)現。在圖2中，用戶(hù)程序可以通過(guò)新封裝好的Socket層，使用原來(lái)同樣的Socket編程語(yǔ)句，這樣使用戶(hù)使用起來(lái)感覺(jué)沒(méi)有差別，對用戶(hù)是透明的。

2．4 協(xié)議驅動(dòng)

在應用程序中，對同一個(gè)線(xiàn)程環(huán)境下的文件句柄的讀，寫(xiě)等，映射到內核中的IRP I／O堆棧的內核文件對象File()bject是同一個(gè)File()bject，這樣可以用內核文件對象作為紐帶作用。在協(xié)議驅動(dòng)的設備擴展NDISPROT_OPEN_CONTEXT結構體內，建立一個(gè)File Port鏈表，如圖3所示。鏈表的每個(gè)節點(diǎn)包含有內核文件對象、接收數據緩沖區、發(fā)送數據緩沖區、端口號、接收數據緩沖區大小、發(fā)送數據緩沖區大小等兒部分。內核文件對象用來(lái)標識是哪一個(gè)用戶(hù)Socket句柄；接收、發(fā)送數據緩沖區用來(lái)存放Socket的接收、發(fā)送的數據；端口號的作用是讓網(wǎng)絡(luò )數據包可以知道提交到哪個(gè)內核文件對象下的接收緩沖區；接收、發(fā)送數據緩沖區大小指明接收、發(fā)送緩沖區最大的長(cháng)度。如果緩沖區隊列滿(mǎn)，而這時(shí)候又有數據過(guò)來(lái)，則該數據應被丟棄。在協(xié)議驅動(dòng)程序里面，利用這個(gè)FilePort鏈表，可以實(shí)現收發(fā)數據，設置接收、發(fā)送緩沖區的大小等操作。

需要注意的是在NDISPROT_OPEN_CONTEXT結構體內，需創(chuàng )建一個(gè)NPROT_LOCK類(lèi)型的鎖，用來(lái)對FilePort鏈表進(jìn)行互斥訪(fǎng)問(wèn)。

2．4．1 端口號的綁定

在協(xié)議驅動(dòng)設備擴展中需要建立一張表，里面存放已默認分配的端口號以及用戶(hù)綁定的端口號，端口號是從小到大按序排列，表的作用是當用戶(hù)應用程序綁定端口號操作時(shí)，首先會(huì )通過(guò)二叉查找法查找這張表，看該端口號是否存放在該表中，如果找到，則要返回給應用程序綁定失敗，如果沒(méi)有找到，則把該端口號插入到適當位置，并返回給應用程序綁定成功。用戶(hù)應用程序通過(guò)調用bind()函數實(shí)現綁定Socket套接字，其含義就是用端口號來(lái)惟一標識用戶(hù)線(xiàn)程下的Socket，讓網(wǎng)絡(luò )數據包提交給正確的Socket，在bind函數里面可以通過(guò)封裝DeviceIo Control函數調用來(lái)實(shí)現。

2．4．2 發(fā)送數據過(guò)程

用戶(hù)應用程序發(fā)送的IRP寫(xiě)請求(WriteFile()函數)，傳遞到協(xié)議驅動(dòng)程序后，調用派遣函數NdisProtWrite，通過(guò)IRP I／O堆棧里面的內核文件對象循環(huán)遍歷FilePort鏈表找到對應的節點(diǎn)，然后把用戶(hù)應用程序的數據通過(guò)緩沖區讀寫(xiě)設備的方式拷貝到NDISPROT_OPEN_CONTEXT結構的相應的Priority SendQueue優(yōu)先級隊列中。如圖3所示，發(fā)包線(xiàn)程的工作主要有，從Priority SendQueue優(yōu)先級隊列中提取數據，如何提取按照多級反饋隊列調度算法處理，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的TCP／IP協(xié)議棧，然后再調用NdisSendPackets函數發(fā)送給網(wǎng)卡驅動(dòng)程序。在TCP／IP協(xié)議棧中，把該數據的優(yōu)先級值賦值給IP首部的服務(wù)類(lèi)型(TOS)字段中，使收包的時(shí)候根據此字段的優(yōu)先級值把包放進(jìn)相應的收包優(yōu)先級隊列中。

2．4．3 接收數據過(guò)程

協(xié)議驅動(dòng)從網(wǎng)卡驅動(dòng)程序接收網(wǎng)絡(luò )數據包，這些數據包是打包封裝好的，首先存放在NDISPROT_OPEN_CONTEXT結構的收包優(yōu)先級隊列Pri ority RecvQueue中，這樣可以接收到高速上傳過(guò)來(lái)的底層數據。如圖3所示，需要建立一個(gè)收包處理線(xiàn)程，它的主要工作是，從收包優(yōu)先級隊列提取數據，具體算法根據上面的多級反饋隊列調度算法，然后經(jīng)由TCP／IP協(xié)議棧的處理，如果是UDP，TCP的數據包則通過(guò)包的目的端口號，遍歷FilePort鏈表找到對應的節點(diǎn)，然后把剩下的凈數據提交給節點(diǎn)(目標Socket)的收包緩沖區中。值得注意的是，因為NDIS封裝數據用的是NDIS_PACKET結構，NDIS_PACKET結構里面包含一個(gè)NDIS_BUFFER結構的鏈表，在每個(gè)NDIS_BUFFER里面才真正指向數據的首地址，這里說(shuō)的提交，并沒(méi)有拷貝數據，只是把凈數據的首地址再次鏈接到FilePort鏈表中。當用戶(hù)應用程序通過(guò)Receive()函數接收數據的時(shí)候，會(huì )調用ReadFile()函數，發(fā)出讀IRP請求，IRP到達協(xié)議驅動(dòng)后，調用NdisProtRead()派遣函數處理，NdisProtRead()會(huì )通過(guò)IRP I／O堆棧里面的內核文件對象，遍歷FilePort鏈表，找到相應的節點(diǎn)，再把節點(diǎn)接收緩沖區里面的數據拷貝到用戶(hù)緩沖區里面。