学网站开发需要会什么,建设部房地产网站,网站怎么做可以被收录,云主机如何做网站文章目录 一.背景及导言二.协议栈架构设计1. 数据包接收和发送引擎2. 协议解析3. 数据包处理逻辑 三.网络函数编写1.socket2.bind3.recvfrom4.sendto5.close 四.总结 一.背景及导言
在当今数字化的世界中#xff0c;网络通信的高性能和低延迟对于许多应用至关重要。而用户态网… 文章目录 一.背景及导言二.协议栈架构设计1. 数据包接收和发送引擎2. 协议解析3. 数据包处理逻辑 三.网络函数编写1.socket2.bind3.recvfrom4.sendto5.close 四.总结 一.背景及导言
在当今数字化的世界中网络通信的高性能和低延迟对于许多应用至关重要。而用户态网络协议栈通过摆脱传统内核态协议栈的限制为实现更快速、灵活的数据包处理提供了新的可能性。本文将深入探讨基于DPDK的用户态UDP网络协议栈的设计、实现。
传统的内核态协议栈在处理网络通信时通常伴随着较大的性能开销而用户态网络协议栈的崛起为高性能应用带来了全新的解决方案。DPDK作为一款用于高性能数据平面应用的工具包为用户态网络协议栈的实现提供了强大的支持。通过将网络协议栈移植到用户态我们可以更灵活地优化数据包处理、提高吞吐量并有效降低处理延迟。
二.协议栈架构设计
网络协议栈整体大致架构如下图所示
1. 数据包接收和发送引擎
数据包接收和发送引擎负责从网络接口接收数据包并将数据包发送到目标地址。通过DPDK提供的高性能数据包I/O接口实现对多队列的支持以提高并行性和吞吐量。
从网卡接收原始数据放入in_ring: rte_eth_rx_burst(); 从out_ring中取出数据通过网卡发送: rte_eth_tx_burst();
while(1) {// rxstruct rte_mbuf *rx[BURST_SIZE];// 内存池//接收unsigned num_recvd rte_eth_rx_burst(gDpdkPortId, 0, rx, BURST_SIZE);if(num_recvd BURST_SIZE) {rte_exit(EXIT_FAILURE, Error receiving from eth\n);} else if(num_recvd 0) {//入队列rte_ring_sp_enqueue_burst(ring-in, (void**)rx, num_recvd, NULL);}// txstruct rte_mbuf *tx[BURST_SIZE];//出队列unsigned nb_tx rte_ring_sc_dequeue_burst(ring-out, (void**)tx, BURST_SIZE,NULL);if(nb_tx 0) {//发送rte_eth_tx_burst(gDpdkPortId, 0, tx, nb_tx);unsigned i 0;for(;i nb_tx; i) {rte_pktmbuf_free(tx[i]);}}static uint64_t prev_tsc 0, cur_tsc;uint64_t diff_tsc;cur_tsc rte_rdtsc();diff_tsc cur_tsc - prev_tsc;if(diff_tsc TIMER_RESOLUTION_CYCLES) {rte_timer_manage();prev_tsc cur_tsc;}}2. 协议解析
协议解析模块负责对接收到的UDP数据包进行解析提取出源和目标端口号、校验和等关键信息。采用高效的解析算法确保对数据包的处理不成为性能瓶颈。 从原始数据包中解析以太网头:
struct rte_ether_hdr *ehdr rte_pktmbuf_mtod(mbufs[i],struct rte_ether_hdr*);从原始数据包中(偏移以太网头)解析arp头:
struct rte_arp_hdr *ahdr rte_pktmbuf_mtod_offset(mbufs[i],struct rte_arp_hdr *,sizeof(struct rte_ether_hdr));从原始数据包中解析IP头:
struct rte_ipv4_hdr *iphdr rte_pktmbuf_mtod_offset(mbufs[i], struct rte_ipv4_hdr *, sizeof(struct rte_ether_hdr));通过IP头中的网络类型协议可以得知该数据包是UDPTCP或ICMP包,通过类型强制转换可以得到相对应的数据包协议头。 通过IP头偏移1位强转可得到UDP/TCP头:
struct rte_udp_hdr *udphdr (struct rte_udp_hdr *)(iphdr 1);通过IP头偏移1位强转可得到ICMP头:
struct rte_icmp_hdr *icmphdr (struct rte_icmp_hdr *)(iphdr 1);不同的数据包调用不同的函数处理通过对数据包的解析可以得到我们想要的IP地址端口号以太网地址数据等。
3. 数据包处理逻辑
数据包处理逻辑包括各种应用层的逻辑如数据包过滤、路由决策等。这一部分需要具体根据应用场景进行定制以满足不同需求。 当用户接收并处理完数据包后得到新的用户数据需要发送此时我们只需要逆向操作接收数据包的过程即可。 一个UDP数据帧组成结构如图所示在用户数据上添加UDP头在此基础上再添加IP头最后再添加以太网头一个UDP数据帧就组装完毕就可直接通过网卡发送。 按UDP数据帧结构从用户数据从上往下依次组包。 !](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/ede89757233f4dca8eff2eec63826075.png)
//1 etherstruct rte_ether_hdr *eth (struct rte_ether_hdr*)msg;rte_memcpy(eth-s_addr.addr_bytes, src_mac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);//源Mac地址rte_memcpy(eth-d_addr.addr_bytes, dst_mac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);//目的Mac地址eth-ether_type htons(RTE_ETHER_TYPE_IPV4);//类型//2 iphdrstruct rte_ipv4_hdr *ip (struct rte_ipv4_hdr*)(msg sizeof(struct rte_ether_hdr));ip-version_ihl 0x45; //4位版本,4位首部长度ip-type_of_service 0;//服务类型ip-total_length htons(length - sizeof(struct rte_ether_hdr));//总长度ip-packet_id 0;//16位标识ip-fragment_offset 0;//偏移ip-time_to_live 64; //TTLip-next_proto_id IPPROTO_UDP;//8位协议ip-src_addr sip;ip-dst_addr dip;ip-hdr_checksum 0;ip-hdr_checksum rte_ipv4_cksum(ip);//首部校验和//3 udpstruct rte_udp_hdr *udp (struct rte_udp_hdr*)(msg sizeof(struct rte_ether_hdr) sizeof(struct rte_ipv4_hdr));udp-src_port sport;//源端口udp-dst_port dport;//目的端口uint16_t udplen length - sizeof(struct rte_ether_hdr) - sizeof(struct rte_ipv4_hdr);udp-dgram_len htons(udplen);//长度rte_memcpy((uint8_t*)(udp 1), data, udplen);udp-dgram_cksum 0;udp-dgram_cksum rte_ipv4_udptcp_cksum(ip, udp);//校验和所有数据包都有以太网头,IP头和arp头为第二层,TCP UDP ICMP为第三次,数据组包的时候只需根据需求选择不同的协议填空即可。
三.网络函数编写
定义主机包括唯一标识符IP地址Mac地址协议recvbuf,senfbuf,互斥锁条件变量链表结构。
struct localhost {int fd;uint32_t localip;uint8_t localmac[RTE_ETHER_ADDR_LEN];uint16_t localport;uint8_t protocol;struct rte_ring *recvbuf;struct rte_ring *sendbuf;struct localhost *prev;struct localhost *next;pthread_cond_t cond;pthread_mutex_t mutex;
};static struct localhost *lhost NULL;使用Hook自定义网络编程函数或自定义网络函数名。
1.socket
static int
socket(__attribute__((unused))int domain, int type, __attribute__((unused))int protocol) {int fd get_fd_frombitmap();struct localhost *host rte_malloc(localhost, sizeof(struct localhost), 0);if(host NULL) {return -1;}memset(host, 0, sizeof(struct localhost));host-fd fd;if(type SOCK_DGRAM) {host-protocol IPPROTO_UDP;} host-recvbuf rte_ring_create(recv buf,RING_SIZE,rte_socket_id(),RING_F_SP_ENQ | RING_F_SC_DEQ);if(host-recvbuf NULL) {rte_free(host);return -1;}host-sendbuf rte_ring_create(send buf,RING_SIZE,rte_socket_id(),RING_F_SP_ENQ | RING_F_SC_DEQ);if(host-sendbuf NULL) {rte_ring_free(host-recvbuf);rte_free(host);return -1;}pthread_cond_t blank_cond PTHREAD_COND_INITIALIZER;rte_memcpy(host-cond, blank_cond, sizeof(pthread_cond_t));pthread_mutex_t blank_mutex PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;rte_memcpy(host-mutex, blank_mutex, sizeof(pthread_mutex_t));LL_ADD(host, lhost);return fd;
}2.bind
static int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,__attribute__((unused))socklen_t addrlen) {struct localhost *host get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host NULL) {return -1;}const struct sockaddr_in *laddr (const struct sockaddr_in*)addr;host-localport laddr-sin_port;rte_memcpy(host-localip, laddr-sin_addr.s_addr, sizeof(uint32_t));rte_memcpy(host-localmac, gSrcMac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);return 0;
}3.recvfrom
static ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, __attribute__((unused))int flags,struct sockaddr *src_addr, __attribute__((unused))socklen_t *addrlen){struct localhost *host get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host NULL) return -1;struct sockaddr_in *saddr (struct sockaddr_in*)src_addr;//dequeuestruct offload *ol NULL;unsigned char *ptr NULL;int nb -1;//阻塞pthread_mutex_lock(host-mutex);while((nb rte_ring_mc_dequeue(host-recvbuf,(void**)ol)) 0) {pthread_cond_wait(host-cond, host-mutex);}pthread_mutex_unlock(host-mutex);saddr-sin_port ol-sport;rte_memcpy(saddr-sin_addr.s_addr, ol-sip, sizeof(uint32_t));struct in_addr addr;addr.s_addr ol-dip;printf(nrecvto --- src: %s:%d \n, inet_ntoa(addr), ntohs(ol-dport));if(len ol-length) { //一次无法接收全部数据rte_memcpy(buf, ol-data, len);ptr rte_malloc(unsigned char *, ol-length - len, 0);rte_memcpy(ptr, ol-data len, ol-length - len);ol-length - len;rte_free(ol-data);ol-data ptr;rte_ring_mp_enqueue(host-recvbuf, ol);return len;} else {rte_memcpy(buf, ol-data, ol-length);rte_free(ol-data);rte_free(ol);return ol-length;}
}4.sendto
static ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, __attribute__((unused))int flags,const struct sockaddr *dest_addr, __attribute__((unused))socklen_t addrlen){struct localhost *host get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host NULL) return -1;const struct sockaddr_in *daddr (const struct sockaddr_in*)dest_addr;struct offload *ol rte_malloc(offload, sizeof(struct offload), 0);if(ol NULL) {return -1;}ol-dip daddr-sin_addr.s_addr;ol-dport daddr-sin_port;ol-sip host-localip;ol-sport host-localport;ol-length len;struct in_addr addr;addr.s_addr ol-dip;printf(nsendto --- src: %s:%d \n, inet_ntoa(addr), ntohs(ol-dport));ol-data rte_malloc(ol data, len, 0);if(ol-data NULL) {rte_free(ol);return -1;}rte_memcpy(ol-data, buf, len);rte_ring_mp_enqueue(host-sendbuf, ol);return len;
}5.close
static int nclose(int fd) {struct localhost *host get_hostinfo_fromfd(fd);if(host NULL) {return -1;}LL_REMOVE(host, lhost);if(host-recvbuf){rte_ring_free(host-recvbuf);}if(host-sendbuf){rte_ring_free(host-sendbuf);}rte_free(host);return 0;
}四.总结
通过本文我们深入研究了基于DPDK的用户态UDP网络协议栈的设计、实现。在整体设计思路上我们采用了用户态网络协议栈的理念通过将核心功能移至用户空间结合DPDK的强大支持实现了一个高性能、低延迟的数据包处理方案。
关键组成部分中我们详细介绍了数据包接收和发送引擎、协议解析、数据包处理逻辑等模块。这些组成部分共同协作使得用户态UDP网络协议栈能够在不同应用场景下发挥其优势。
整体架构图清晰展示了各个模块之间的关系以及数据在协议栈中的流动路径。这有助于读者更好地理解我们设计的用户态UDP网络协议栈的整体结构。
通过对用户态UDP网络协议栈的研究我们不仅深刻理解了其设计和实现也为构建更高性能、更灵活的网络通信系统奠定了基础。未来我们期待在这一基础上进一步优化和扩展以满足不断发展的网络应用需求。
链接: 基于DPDK实现的UDP用户态网络协议栈完整代码
