Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Движение данных вниз (т.е. от верхних уровней к нижним) обычно инициируется системными вызовами и может иметь синхронный характер. Принимаемые данные из сети поступают в случайные моменты времени и передаются сетевым драйвером в очередь приема соответствующего протокола. При этом функции модуля протокола и обработка данных не вызываются непосредственно сетевым драйвером. Вместо этого последний устанавливает бит соответствующего программного прерывания, в контексте которого система позднее и запускает необходимые функции. Если данные предназначены протоколу верхнего уровня (транспортному), его функция обработки будет вызвана непосредственно модулем сетевого уровня. Если же сообщение предназначено другому хосту, и система выполняет функции шлюза, сообщение будет передано уровню сетевого интерфейса для последующей передачи.

Прежде чем более подробно ознакомиться со взаимодействием различных модулей сетевой подсистемы BSD UNIX, рассмотрим сначала структуры данных, определяющие сокет, коммуникационный протокол и сетевой интерфейс.

Структуры данных

Структура данных socket, описывающая сокет, представлена на рис. 6.21. В этой структуре хранится информация о типе сокета (so_type), его текущем состоянии (so_state) и используемом протоколе (so_proto).

Рис. 6.21. Структуры данных сокета

Сокет является коммуникационным узлом и обеспечивает буферизацию получаемых и отправляемых данных. Как только данные попадают в распоряжение сокета в результате системного вызова (например, write(2) или send(2)), сокет немедленно передает их модулю протокола для последующего отправления. Данные передаются в виде связанного списка специальных буферов mbuf, структура которых также показана на рис. 6.21. Модуль протокола может ожидать подтверждения получения отправленных данных или отложить их отправку. В обоих случаях сообщения остаются в буфере передачи сокета до момента окончательной отправки или получения подтверждения. Аналогично, данные, полученные из сети, в конечном итоге буферизуются в приемной очереди сокета-адресата, пока не будут извлечены оттуда системным вызовом (например, read(2) или recv(2)).

Для избежания переполнения буфер (структура sockbuf) хранит параметр sb_hiwat — значение верхней ватерлинии. Модуль коммуникационного протокола может использовать это значение для управления потоком данных. Например, модуль TCP устанавливает максимальное значение окна приема равным этому параметру.

Сокеты, используемые для приема и обработки запросов на установление связи (зарегистрированные с помощью системного вызова listen(2)), адресуют два связанных списка: список сокетов, связь для которых не полностью установлена, и список сокетов, обеспечивающих доступ к созданным каналам передачи данных.

Следующая структура данных, которую мы рассмотрим, относится к коммуникационным протоколам. Каждый модуль протокола представляет собой набор функций обработки и структур данных и описывается структурой данных, называемой коммутатором протокола. Коммутатор протокола хранит адреса стандартных функций протокола, например, функций ввода (pr_input()) и вывода (pr_output()), и выполняет ту же роль, что и элемент коммутатора устройств, рассмотренный в главе 5. Поле so_proto сокета содержит адрес этой структуры для соответствующего протокола. Вид коммутатора протокола показан на рис. 6.22.

Рис. 6.22. Коммутатор протокола

Перед первым использованием модуля вызывается функция его инициализации pr_init(). После этого система будет вызывать функции таймера модуля протокола pr_fasttimo() каждые 200 миллисекунд и pr_slowtimo() каждые 500 миллисекунд, если протокол определил эти функции. Например, модуль протокола TCP использует функции таймера для обработки тайм-аутов при установлении связи и повторных передачах. Функция pr_drain() вызывается системой при недостатке свободной памяти и позволяет модулю уничтожить некритичные сообщения для освобождения места.

С помощью функции pr_usrreq() модулю протокола передаются сообщения от прикладного процесса. Таким образом, эта функция определяет интерфейс взаимодействия между сокетом и протоколом нижнего уровня. Одним из параметров этой функции является номер запроса, зависящий от произведенного системного вызова. Интерфейс взаимодействия сокета с прикладными процессами является стандартным интерфейсом системных вызовов и преобразует вызовы bind(2), listen(2), send(2), sendto(2) и т.д. в соответствующие запросы функции pr_usrreq(). Некоторые из них приведены в табл. 6.7.

Таблица 6.7. Запросы функции pr_usrreq()

Системный вызов Значение Запрос close(2) Прекратить обмен данными PRU_ABORT accept(2) Обработать запрос на установление связи PRU_ACCEPT bind(2) Связать сокет с адресом PRU_BIND connect(2) Установить связь PRU_CONNECT listen(2) Разрешить обслуживание запросов PRU_LISTEN send(2), sendto(2) Отправить данные PRU_SEND fstat(2) Определить состояние сокета PRU_SENSE getsockname(2) Получить адрес локального сокета PRU_SOCKADDR getpeername(2) Получить адрес удаленного сокета PRU_PEERADDR ioctl(2) Передать команду модулю протокола PRU_CONTROL

Функции pr_input() и pr_output() определяют интерфейс взаимодействия протокол-протокол и служат для передачи данных между модулями соседних уровней. Аналогично для обмена управляющими командами между модулями протоколов используются функции pr_ctlinput() и pr_ctloutput(). Цепочка взаимодействующих протоколов производит размещение и освобождение памяти при обмене сообщениями, которые передаются посредством рассмотренных структур mbuf: при передаче сообщений от сети прикладному процессу за освобождение буферов mbuf отвечает модуль верхнего уровня и наоборот, при передаче сообщений в сеть память, занимаемая сообщением, освобождается на самом нижнем уровне.

Поле pr_flags определяет некоторые характеристики протокола и режим его функционирования, которые в основном относятся к уровню сокетов. Например, протоколы, предусматривающие предварительное установление связи, указывают это с помощью флага PR_CONNREQUIRED, не позволяя тем самым функциям сокета передавать данные модулю до создания виртуального канала. Если установлен флаг PR_WANTRCVD, соответствующие функции сокета будут уведомлять модуль протокола, когда прикладной процесс получает данные из буфера приема. Это может служить сигналом протоколу для отправления подтверждения о получении, а также для обновления значения окна в соответствии с освободившимся местом.

Заметим, что каждый модуль протокола имеет собственные очереди сообщений, используемые для приема и передачи данных.

Каждый сетевой интерфейс системы представлен структурой данных, показанной на рис. 6.23. Сетевой интерфейс обычно связан с соответствующим сетевым адаптером, хотя это не является обязательным условием. Например, внутренний сетевой интерфейс loopback представляет собой псевдоустройство, используемое для унифицированного взаимодействия сетевых процессов в рамках одного хоста, отладки и т.п.

Рис. 6.23. Сетевой интерфейс

Решение об использовании того или иного сетевого интерфейса для передачи сообщения базируется на таблице маршрутизации и производится модулем сетевого уровня. Интерфейс может обслуживать протоколы различных коммуникационных доменов. Соответственно, один и тот же интерфейс может иметь несколько адресов, определенных для каждого семейства протоколов. Структуры, определяющие локальный и широковещательный (broadcast) адреса интерфейса, а также сетевую маску, хранятся в виде связанного списка.