Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

• Название: Операционная система UNIX
• Автор: Андрей Робачевский
• Издательство: BHV - Санкт-Петербург
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 1997
• ISBN: 5-7791-0057-8

Книга посвящена семейству операционных систем UNIX и содержит информацию о принципах организации, идеологии и архитектуре, объединяющих различные версии этой операционной системы.

В книге рассматриваются: архитектура ядра UNIX (подсистемы ввода/вывода, управления памятью и процессами, а также файловая подсистема), программный интерфейс UNIX (системные вызовы и основные библиотечные функции), пользовательская среда (командный интерпретатор shell, основные команды и утилиты) и сетевая поддержка в UNIX (протоколов семейства TCP/IP, архитектура сетевой подсистемы, программные интерфейсы сокетов и TLI).

Для широкого круга пользователей

---

С помощью мультиплексирующих драйверов потоки, представленные на рис. 5.14, могут быть объединены в единый драйвер протоколов, поддерживающий несколько каналов передачи данных. Именно таким образом реализована поддержка сети во многих версиях операционной системы UNIX. Возможная организация компонентов STREAMS приведена на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Конфигурация сетевого доступа с использованием подсистемы STREAMS

В этом случае модули TCP и UDP являются верхними мультиплексорами, а модуль IP реализован в виде гибридного мультиплексора[58]. Такая организация позволяет приложениям создавать потоки, используя различные комбинации сетевых протоколов и драйверов сетевых устройств. Задача мультиплексирующего драйвера помимо обработки данных заключается в хранении состояния всех потоков и правильной маршрутизации данных между ними, т. е. передаче данных в очередь требуемого модуля.

Модули

Модули являются основными компонентами потока. Каждый модуль состоит из пары очередей — очереди чтения и записи, а также набора функций, осуществляющих обработку данных и их передачу вверх или вниз по потоку. Архитектура модуля представлена на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Модуль STREAMS

Каждая очередь представлена структурой данных queue. Наиболее важными полями queue являются:

q_qinfo Указатель на структуру qinit, описывающую функции обработки сообщений данной очереди. q_first, q_last Указатели на связанный список сообщений, ожидающих передачи вверх или вниз по потоку. q_next Указатель на очередь следующего модуля вверх или вниз по потоку. q_ptr Указатель на внутренние данные модуля (очереди).

Помимо указанных полей, структура queue содержит параметры для обеспечения управления потоком данных — верхнюю и нижнюю ватерлинии очереди.

Передача данных вверх или вниз по потоку осуществляется с помощью функций модуля, указатели на которые хранятся в структуре qinit. Модуль должен определить четыре процедуры для обработки каждой из очередей: xxput(), xxservice(), xxopen() и xxclose(), где xx, как и прежде, обозначает уникальный префикс драйвера. Эти функции адресуются указателями (*qi_putp)(), (*qi_srvp)(), (*qi_qopen)(), (*qi_close)(). Этих четырех функций достаточно для взаимодействия с соседними модулями, обработки и передачи данных. Функция xxopen() вызывается каждый раз, когда процесс открывает поток или при встраивании модуля. Соответственно функция xxclose() вызывается при закрытии потока или извлечении модуля. Функция xxput() осуществляет обработку сообщений, проходящих через модуль. Если xxput() не может передать сообщение следующему модулю (например, в случае, если очередь следующего модуля переполнена), она помещает сообщение в собственную очередь. Периодически ядро вызывает процедуру xxservice() каждого модуля для передачи отложенных сообщений.

Модуль должен иметь функцию xxput() для каждой очереди. Функция xxservice() может не существовать, в этом случае xxput() не имеет возможности отложить передачу сообщения и должна передать его немедленно, даже если очередь следующего модуля переполнена. Таким образом модули, не имеющие процедур xxservice(), не обладают возможностью управления потоком данных. Эти аспекты мы подробнее рассмотрим в следующих разделах.

Оставшиеся поля структуры qinit:

module_info В этой структуре хранятся базовые значения таких параметров, как ватерлинии, размер сообщений и т.д. Некоторые из этих параметров также находятся в структуре queue. Это дает возможность динамически изменять их, сохраняя при этом базовые значения. module_stat Эта структура непосредственно не используется подсистемой STREAMS. Однако модуль имеет возможность осуществлять сбор разнообразной статистики своего участка потока с помощью полей этой структуры.

Сообщения

В подсистеме STREAMS все данные передаются в виде сообщений. С помощью сообщений передаются данные от приложений к драйверу и обратно. Сообщения используются для взаимодействия модулей между собой. Модули могут также генерировать сообщения для уведомления прикладного процесса или друг друга о возникновении ошибок или непредвиденных ситуаций. Таким образом, сообщения являются единственным способом передачи информации между различными компонентами потока и потому занимают ключевое место в подсистеме STREAMS.

Сообщение описывается двумя структурами данных: заголовком сообщения msgb (message block) и заголовком блока данных datab (data block). Обе эти структуры адресуют буфер данных, где находятся фактические данные сообщения.

Заголовок сообщения msgb имеет следующие поля:

b_next, b_prev Используются для формирования связанного списка сообщений и соответственно адресуют следующее и предыдущее сообщение очереди b_cont Указывает на продолжение сообщения и используется для связывания различных частей одного сообщения b_datap Указатель на заголовок блока данных b_rptr, b_wptr Указатели, определяющие расположение (начало и конец) данных в буфере данных b_cont Содержит ссылку на следующую структуру msgb

Заголовок блока данных datab используется для описания буфера и имеет следующие поля:

db_base Адрес начала буфера db_lim Адрес ячейки памяти, следующей непосредственно за буфером. Таким образом, размер буфера равен db_lim - db_base db_type Тип сообщения db_ref Число заголовков сообщения, адресующих этот блок

Использование этих структур данных для формирования очереди сообщений и сообщений, состоящих из нескольких частей, показано на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Сообщения STREAMS

Поле b_cont заголовка сообщения позволяет объединять несколько блоков данных в одно сообщение. Эта возможность особенно полезна при использовании подсистемы STREAMS для реализации сетевых протоколов. Сетевые протоколы имеют уровневую организацию. По мере передачи данных вниз по потоку, каждый последующий модуль (реализующий протокол определенного уровня) добавляет собственную управляющую информацию. Поскольку протоколы верхнего уровня не имеют представления об архитектуре нижних, невозможно заранее зарезервировать необходимую память под сообщение. Вместо того чтобы изменять размер буфера данных сообщения, модуль может добавлять управляющую информацию в виде отдельных частей, связывая их с помощью указателя b_cont. Этот процесс, получивший название инкапсуляции данных, графически представлен на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Инкапсуляция данных с использованием составных сообщений

Поле db_ref заголовка блока данных позволяет нескольким заголовкам сообщения совместно использовать один и тот же буфер. При этом происходит виртуальное копирование сообщения, каждая копия которого может обрабатываться отдельно. Как правило, такой буфер используется совместно только для чтения, хотя сама подсистема STREAMS не накладывает никаких ограничений, возлагая всю ответственность за обработку данных на модули потока.

В качестве примера виртуального копирования можно привести реализацию протокола TCP. Протокол TCP является надежным, т.е. данные считаются доставленными только после того, как от получателя поступит подтверждение. Это означает, что протокол должен хранить копии всех отправленных, но не подтвержденных сообщений. Вместо неэффективного физического копирования, производится виртуальное дублирование сообщения, одна копия которого затем передается вниз по потоку (модулю IP), а вторая сохраняется до получения подтверждения. После отправления сообщения драйвером сетевого адаптера, одна из копий будет уничтожена, что выразится в уменьшении поля db_ref заголовка блока данных, но сам блок данных сохранится, поскольку значение счетчика по-прежнему будет превышать 0. И только после получения подтверждения db_ref станет равным 0, и соответствующий буфер будет освобожден.