Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的研究

王君怡

摘要：Linux計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程和啟動(dòng)渠道是通過(guò)一個(gè)專門(mén)的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)進(jìn)行的，且在運(yùn)行過(guò)程中主要依賴龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)庫(kù)來(lái)支持。為了在實(shí)際應(yīng)用中提高這部分驅(qū)動(dòng)程序的使用效率，改善使用效果，現(xiàn)通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理來(lái)尋找優(yōu)化驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的有效途徑。

關(guān)鍵詞 ：Linux；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；驅(qū)動(dòng)

引言：

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就是計(jì)算機(jī)與外界信息進(jìn)行溝通和傳輸?shù)囊粋€(gè)媒介和渠道 ，所以，其設(shè)備驅(qū)動(dòng)的性能和運(yùn)作形式直接關(guān)系到信息傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量，在Linux操作系統(tǒng)下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)具有一定復(fù)雜程度的過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化，就必須從驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)深入分析其工作原理，保證功能優(yōu)化工作有針對(duì)性的進(jìn)行。

一、Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)

（一）專門(mén)性特點(diǎn)

Linux操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，有一個(gè)專門(mén)的網(wǎng)絡(luò)接口，所有的信息接收都統(tǒng)一通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種驅(qū)動(dòng)類型的操作執(zhí)行對(duì)象，不再是某一個(gè)固定的文件，在這種情況下，計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序就無(wú)法直接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)體系中的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)他們彼此之間的交互[1]。而且，這種類型的驅(qū)動(dòng)程序在/dev的目錄中也沒(méi)有具體的顯示，因此，用戶也無(wú)法從計(jì)算機(jī)中找到直接的驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)。這種模式和特點(diǎn)有效提高了驅(qū)動(dòng)程序的信息傳輸速度，也一定程度上提高了信息保密性。

（二）實(shí)時(shí)性特點(diǎn)

此操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，是隨著系統(tǒng)初始化的過(guò)程實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，所以，整個(gè)過(guò)程是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部自行完成的，相對(duì)于一些雖然受到核心系統(tǒng)支持，但實(shí)質(zhì)上并不存在的外部物理的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，這種驅(qū)動(dòng)模式是不會(huì)與之建立起對(duì)應(yīng)的程序鏈條結(jié)構(gòu)的。也就是說(shuō)，這種驅(qū)動(dòng)程序的安裝和識(shí)別方式都是網(wǎng)絡(luò)化的，與外界物理設(shè)備不存在任何聯(lián)系[2]。

下圖為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作原理圖，從圖中我們可以直觀的看到此設(shè)備的工作原理，對(duì)其性能特點(diǎn)有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)和了解。

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作原理圖

二、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)工作流程

（一）數(shù)據(jù)傳送流程

這個(gè)流程中的具體數(shù)據(jù)流向和運(yùn)行方式是，計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層首先向信息處理器發(fā)出通知，通知其準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和傳輸，接著處理器便會(huì)從緩存設(shè)備中選取一段數(shù)據(jù)緩存通道，在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中用字母BD來(lái)代表這個(gè)片段性的通道，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是一種緩存描述符。當(dāng)緩存結(jié)束后，處理器再通過(guò)信息通道通知設(shè)備進(jìn)行信息發(fā)送[3]。當(dāng)信息發(fā)送完畢再次回到緩存通道BD中時(shí)，控制器DMA會(huì)截取有效的BD數(shù)據(jù)信息進(jìn)一步發(fā)送到下一個(gè)控制接收系統(tǒng)MAC模塊中，最終由此模塊把經(jīng)過(guò)處理的信息傳送至計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。至此，數(shù)據(jù)傳送的流程才進(jìn)行完畢。且在這個(gè)傳輸過(guò)程中，有三分之二的流程都是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的，并不需要人為的操作干預(yù)，這種模式不僅可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的信息質(zhì)量也會(huì)有一定的保證。

（二）數(shù)據(jù)接收階段

控制處理器分別對(duì)BD設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初始化，然后MAC模塊向DAM控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息的取用通知，然后同傳送流程相似，當(dāng)BD中的相應(yīng)數(shù)據(jù)被取用后在發(fā)送至相應(yīng)的緩存系統(tǒng)中，隨后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸信號(hào)通知處理器接受數(shù)據(jù)信息，接受方式主要有中斷接收形式和輪流詢問(wèn)的接收形式。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系統(tǒng)從中取走這些有效的數(shù)據(jù)信息。同傳輸過(guò)程一樣，在數(shù)據(jù)的接收階段，也有很大一部分接收過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)傳輸識(shí)別完成的，同步的接收質(zhì)量和接受速率也同樣的會(huì)得到提升。

三、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法

（一）引入NAPI數(shù)據(jù)處理方式

這種數(shù)據(jù)處理方式優(yōu)點(diǎn)在于減低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)轿缓蟮木W(wǎng)絡(luò)信息通道終端頻率。應(yīng)用了這種數(shù)據(jù)處理方式，就可以實(shí)現(xiàn)一部分的數(shù)據(jù)信息傳輸在不需要引起網(wǎng)絡(luò)終端的情況下正常進(jìn)行。從影響上來(lái)說(shuō)，每一次的網(wǎng)絡(luò)中斷，都會(huì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序的整體信息傳輸和接受速度，進(jìn)一步對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的總體速度也會(huì)造成影響[4]。這種處理方式減低中斷頻率的途徑是通過(guò)中斷和輪詢結(jié)合的方式來(lái)保證信息傳輸?shù)妮喆握＿\(yùn)行。這里要注意的是，兩種方式的選取標(biāo)準(zhǔn)要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息流量的高低來(lái)進(jìn)行判斷，在低流量的情況下，一般會(huì)選取中斷式的數(shù)據(jù)接收方式。在高流量的情況下，就會(huì)采取輪詢式為主的數(shù)據(jù)接收方式。

（二）NAPI的優(yōu)化原理

首先，處理中斷函數(shù)。在NAPI的模式下，一般會(huì)發(fā)出信號(hào)告知系統(tǒng)禁止通過(guò)終端系統(tǒng)信息傳輸?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而通知網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)通過(guò)輪詢的方式加快數(shù)據(jù)程序包的接收速度。在這個(gè)過(guò)程中，何時(shí)禁止數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，什么時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入輪詢的數(shù)據(jù)處理模式，分別有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)備來(lái)完成。

其次，輪詢模式 的使用。輪詢模式的使用是基于調(diào)節(jié)中斷模式而產(chǎn)生的，因此，在進(jìn)入輪詢模式時(shí)，必須首先切斷中斷模式的運(yùn)行。且無(wú)論是什么方向的切換，另一種模式都必須提前關(guān)閉運(yùn)行。

三、數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)化應(yīng)用

（一）傳輸優(yōu)化

利用網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)傳輸程序包的合理分割，當(dāng)一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)包被分割成多個(gè)小的數(shù)據(jù)包時(shí)，計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)荷就會(huì)相應(yīng)的減低 ，那么驅(qū)動(dòng)程序的傳輸效率就會(huì)有很大的提高，這與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息處理的高效性要求十分符合。

（二）接收優(yōu)化

這個(gè)階段的優(yōu)化方式主要是通過(guò)對(duì)信息的整合打包來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的應(yīng)用原理是，將多個(gè)不同的TCP數(shù)據(jù)資源包共同整合存儲(chǔ)在一個(gè)skb系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，并在非常短的時(shí)間間隔后，將這個(gè)大的數(shù)據(jù)包整合，然后整體發(fā)送給上一層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接受系統(tǒng)中，由其統(tǒng)一處理。這種大批量數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理的方式，降低了上層協(xié)議的信息處理成本，提升了TCP的整體數(shù)據(jù)接收能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

總之，Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備優(yōu)化是一個(gè)非常具有技術(shù)含量的過(guò)程，其中的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收是優(yōu)化工作的主體，做好這兩個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化，才吃呢個(gè)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體優(yōu)化。

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