UNA ARQUITECTURA DE CONTROLADOR DE DISPOSITIVO DE RED.

Una arquitectura de controlador de dispositivo de red para permitir el acceso entre el espacio del núcleo del sistema operativo y un Controlador de Interfaz de Red,

también referenciado como un NIC, así como entre el espacio de usuario y dicho NIC (30), que comprende:

- un controlador de dispositivo de espacio del núcleo (10) adaptado para permitir el acceso entre el espacio del núcleo y el espacio de usuario a través de un interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15); y

- la funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) que incluye:

- medios para permitir el acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC a través de un interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para enviar y recibir información a/desde la red, y

- medios para interconectar dicho interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para permitir acceso tunelizado del espacio de usuario entre el espacio del núcleo y dicho NIC para enviar y recibir información a/desde la red, caracterizada porque la información a ser transferida entre un protocolo de nivel de núcleo (45) en el espacio del núcleo y dicho NIC se tunelizará a través del espacio de usuario mediante el uso combinado de dicho controlador de dispositivo del espacio del núcleo (10), dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20), dicho interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25)

Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W02001225SE.

Solicitante: TELEFONAKTIEBOLAGET L M ERICSSON.

Nacionalidad solicitante: Suecia.

Dirección: ERICSSON AB PATENT UNIT CORE NETWORKS, ALVSJO BOX 1505,125 25 ALVSJO.

Inventor/es: ANDJELIC,MARIO.

Fecha de Publicación: 23 de Febrero de 2010.

Fecha Concesión Europea: 16 de Septiembre de 2009.

Clasificación PCT:

G06F13/10 FISICA. › G06 CALCULO; CONTEO. › G06F PROCESAMIENTO ELECTRICO DE DATOS DIGITALES (sistemas de computadores basados en modelos de cálculo específicos G06N). › G06F 13/00 Interconexión o transferencia de información u otras señales entre memorias, dispositivos de entrada/salida o unidades de procesamiento (circuitos de interfaz para dispositivos de entrada/salida específicos G06F 3/00; sistemas multiprocesadores G06F 15/16). › Control por programa para dispositivos periféricos (G06F 13/14 - G06F 13/42 tienen prioridad).

Clasificación antigua:

G06F13/10 G06F 13/00 […] › Control por programa para dispositivos periféricos (G06F 13/14 - G06F 13/42 tienen prioridad).

Fragmento de la descripción:

Una arquitectura de controlador de dispositivo de red.

Campo técnico de la invención

La presente invención generalmente se refiere a una arquitectura de controlador de dispositivo de red para acceso flexible y eficaz a un controlador de interfaz de red (NIC).

Antecedentes de la invención

Los programas de ordenador generalmente se pueden dividir en dos tipos, programas de sistema operativo y programas de aplicaciones. El sistema operativo (OS) se puede ver como un gestor de recursos que hace disponibles a los usuarios los recursos de ordenador tales como procesadores, memoria, dispositivos de entrada/salida (I/O) y dispositivos de comunicación. También proporciona la funcionalidad base sobre la que se pueden escribir y ejecutar los programa de aplicaciones. Funciones importantes del sistema operativo incluyen compartir componentes físicos entre usuarios, evitar que los usuarios se interfieran entre ellos, programar recursos, organizar datos para acceso rápido y seguro, y soportar las funciones de I/O y las comunicaciones de red.

A la parte central del OS se refiere comúnmente como el núcleo. El núcleo normalmente es solamente una parte del código de lo que comúnmente suele pensarse como el OS entero, pero es una de las partes usadas más intensivamente del código. El núcleo define el denominado espacio de usuario, en el que corren los programas de aplicaciones, y proporciona los servicios a las aplicaciones de usuario, incluyendo la gestión de memoria, asignar los recursos de procesamiento, y responder a las llamadas del sistema desde los procesos o aplicaciones de usuario. Otras funciones importantes del núcleo incluyen manejar interrupciones, sincronización y gestión de procesos, así como gestión de I/O incluyendo las comunicaciones de red.

Dado que muchos dispositivos de componentes físicos distintos se pueden conectar al sistema informático, se implementa alguna funcionalidad de I/O como funcionalidad común que es independiente del dispositivo. La funcionalidad del dispositivo relacionado entonces se asigna dentro de los denominados controladores de dispositivo. Esto significa que una aplicación de usuario que necesita acceder a un dispositivo de componentes físicos particular, tal como un dispositivo de comunicación de red, hace que un sistema llame al OS, el cual a su vez invoca el controlador de dispositivo asociado con el dispositivo de componentes físicos.

Un Controlador de Interfaz de Red (NIC) es un dispositivo de componentes físicos que comúnmente está conectado a los sistemas informáticos para proporcionar capacidades de comunicación de red, tales como comunicación Ethernet o ATM. Los controladores de NIC normalmente implementan protocolos de bajo nivel, tales como de protocolos de capa 1 (PHY) y capa 2 (MAC, LLC), mientras que los protocolos de alto nivel (por ejemplo, la serie de protocolos TCP/IP) tradicionalmente se asignan en el OS, ejecutándose en el modo de núcleo. Además, las agrupaciones, por ejemplo, normalmente tienen protocolos propietarios que se ejecutan en la parte de arriba de Ethernet porque el TCP/IP (Protocolo de Comunicación de Transporte/Protocolo Internet) no es muy apropiado para el procesado de datos de agrupación en las Redes de Área de Sistema (SANs). Estos protocolos propietarios generalmente también están corriendo en modo de núcleo.

No obstante, el procesamiento centralizado de protocolo en el núcleo impide que las aplicaciones de usuario logren el rendimiento potencial bruto ofrecido por las redes de alta velocidad que soportan. El problema de rendimiento se debe principalmente a copiar el mensaje entre el espacio de usuario y el espacio de núcleo, caché contaminada, interrupciones y código no optimizado. La copia intensiva del mensaje crea una gran sobrecarga, especialmente para mensajes cortos, y constituye la principal razón para la alta carga de procesador y el bajo flujo de los subsistemas de red con sistemas operativos estándar.

Este problema ha llegado a ser más pronunciado con la llegada de las tecnologías de comunicación de red de altas prestaciones tales como Gigabit Ethernet, ATM e Infiniband. El principal desafío es poner en uso tales tecnologías de comunicaciones de altas prestaciones se encuentra en primer lugar en construir sistemas que puedan hacer eficientemente de interfaz de estos medios de red y mantener el alto ancho de banda de todo el camino entre dos aplicaciones de red que se comunican.

Esto ha conducido a la industria informática a desarrollar controladores de dispositivos de red que soportan acceso al NIC directamente desde el espacio de usuario, evitando copiar mensajes entre el espacio de usuario y el espacio de núcleo. El ejemplo más comúnmente conocido de este tipo de arquitectura de acceso de red de espacio de usuario es la Arquitectura de Interfaz Virtual (VIA) desarrollada por la Corporación Intel, la Corporación Microsoft y la Corporación Compaq Computer. La Arquitectura de Interfaz Virtual (VIA) es un estándar de la industria para Redes de Área de Sistema que soporta acceso directo, cero copia del espacio de usuario al NIC. La Arquitectura VIA fue diseñada para eliminar la copia de mensajes, las interrupciones por mensaje y otra sobrecarga del núcleo que ha hecho que las aplicaciones de red tradicionales lleguen a ser cuellos de botella de prestaciones en el pasado. Como se describió, por ejemplo, en la Guía del Desarrollador de especificación de Arquitectura de Interfaz Virtual (VI) de Intel, 9 de septiembre de 1998 y la Solicitud de Patente Internacional WO 00/41358, la Arquitectura VIA evita las copias de datos intermedios y no pasa por el núcleo del sistema operativo para logar comunicación de ancho de banda alto y baja latencia. El modelo VIA incluye un consumidor de VI y un proveedor de VI. El consumidor de VI típicamente incluye una facilidad de comunicación de sistemas operativos y aplicación de usuario y un agente de usuario de VI. El proveedor de VI típicamente incluye la combinación de un NIC de VI y un agente del núcleo de VI. El Interfaz Virtual (VI) es un interfaz directo entre un NIC de VI y un proceso o aplicación de usuario. El VI permite al NIC acceder directamente a la memoria de la aplicación de usuario para operaciones de transferencia de datos entre la aplicación y la red. El VI generalmente comprende una cola para enviar y una cola para recibir, cada una de las cuales se puede asignar directamente al espacio de dirección de usuario, dando de esta manera acceso directo del espacio de usuario al nivel de red y no pasando por el núcleo del sistema operativo.

El informe técnico DART - Una Pastilla de Interfaz de Red ATM de Baja Sobrecarga, TR-96-18, Julio de 1996 expone un NIC de ATM diseñado para comunicación de baja sobrecarga y alto ancho de banda, proporcionando acceso directo y protegido de la aplicación a/desde la red.

La principal desventaja de la arquitectura VIA (y arquitecturas similares) es que requiere controladores NIC habilitados especialmente para VIA, y no pueden funcionar con los controladores NIC fuera de la plataforma tales como los controladores habituales NIC de Ethernet. Dado que una gran cantidad de funcionalidades para la comunicación de red se basa en protocolos de nivel de núcleo tales como TCP/IP, se requieren tanto un NIC habilitado para VIA como un NIC habitual de Ethernet (TCP/IP) con la arquitectura VIA. La arquitectura VIA de esta manera no está optimizada para la implementación dentro de sistemas existentes, sino que requiere generalmente rediseño de los componentes físicos de los sistemas existentes, además de un NIC adicional y/o puerto NIC al sistema. Rediseñar una placa de circuito, incluyendo diseño, pruebas, manipulación del producto, mantenimiento, piezas de recambio, etc., puede conducir a costes adicionales del orden de millones de dólares.

La solicitud de patente internacional, publicada como WO 99/39254, se refiere a una arquitectura de programas informáticos para proporcionar controladores de dispositivo de componentes físicos de bajo nivel a partir del modo de usuario bajo sistemas operativos multitarea. La arquitectura incluye un controlador de interfaz del sistema de modo supervisor de capa fina para presentar un interfaz completo a una aplicación de usuario. La arquitectura también tiene un controlador de encaminamiento de dispositivo también ubicado en la parte supervisora del sistema operativo para encaminar entre el controlador de interfaz del sistema y el controlador de dispositivo concreto ubicado en la parte de modo de usuario del sistema operativo. Una envoltura de controlador de dispositivo emula un modo supervisor como entorno para el controlador de dispositivo.

Resumen...

Reivindicaciones:

1. Una arquitectura de controlador de dispositivo de red para permitir el acceso entre el espacio del núcleo del sistema operativo y un Controlador de Interfaz de Red, también referenciado como un NIC, así como entre el espacio de usuario y dicho NIC (30), que comprende:

- un controlador de dispositivo de espacio del núcleo (10) adaptado para permitir el acceso entre el espacio del núcleo y el espacio de usuario a través de un interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15); y

- la funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) que incluye:

- medios para permitir el acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC a través de un interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para enviar y recibir información a/desde la red, y

- medios para interconectar dicho interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para permitir acceso tunelizado del espacio de usuario entre el espacio del núcleo y dicho NIC para enviar y recibir información a/desde la red,

caracterizada porque la información a ser transferida entre un protocolo de nivel de núcleo (45) en el espacio del núcleo y dicho NIC se tunelizará a través del espacio de usuario mediante el uso combinado de dicho controlador de dispositivo del espacio del núcleo (10), dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20), dicho interfaz de espacio de usuario-espacio del núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25).

2. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) se adapta para establecer dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15) en relación a dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20).

3. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se adapta para traer información de puntero, apuntando a los datos en una memoria común (50), desde un almacenador de memoria asociado con uno de dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC e insertando dicha información de puntero dentro de un almacenador de memoria asociado con el otro de dichos interfaces, interconectando por ello dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (IS) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25).

4. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada uno de dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25) se asocia con dos almacenadores de memoria, un almacenador de transmisión y un almacenador de recepción.

5. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 4, en donde, para la comunicación saliente de protocolo de nivel de núcleo, dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) se adapta para insertar la información de puntero, apuntando a los datos en una memoria común (50), dentro del almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo, y dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se adapta para traer dicha información de puntero de allí e insertarlo dentro del almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC, y dicho NIC (30) se adapta para traer dicha información de puntero desde el almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC y para leer los datos correspondientes desde dicha memoria común (50) basado en la información de puntero obtenida.

6. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 4, en donde, para la comunicación entrante de protocolo de nivel de núcleo, dicho NIC (30) se adapta para insertar la información de puntero, apuntando a los datos en una memoria común (50), dentro del almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo, y dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se adapta para traer dicha información de puntero desde el almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC, y e insertarla dentro del almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo, y dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) se adapta para traer dicha información de puntero para transferir a un protocolo de nivel de núcleo (45), que lee los datos correspondientes de dicha memoria común (50) basados en la información de puntero.

7. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se configura para la ejecución en el contexto de aplicación de una aplicación de usuario.

8. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 7, en donde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se implementa como una funcionalidad de librería de espacio de usuario.

9. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) se utiliza para acceder directamente a dicho NIC (30) a través de un interfaz de espacio de núcleo-NIC (35) en un primer modo de funcionamiento, y se utiliza para acceder a dicho NIC (30) a través de dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15), dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25) en un segundo modo de funcionamiento.

10. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 9, en donde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se configura para la ejecución en el contexto de aplicación de una aplicación de usuario, y dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) se adapta para conmutar a dicho primer modo de funcionamiento en respuesta a un fallo de la aplicación de usuario.

11. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, en donde dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) incluye la funcionalidad de vigilancia para conmutar a dicho primer modo de funcionamiento si no hay llamada desde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) durante un periodo de tiempo predeterminado.

12. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 9, en donde dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) comprende:

- un agente del núcleo (16) para gestionar dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15);

- un centro de controlador de dispositivo de red (14) utilizable para acceder directamente a dicho NIC (30) en dicho primer modo de funcionamiento, y utilizable para encaminar los datos salientes a dicho agente de espacio de núcleo (16) y para recibir datos entrantes desde dicho agente de espacio de núcleo (16) en dicho segundo modo de funcionamiento.

13. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 12, en donde dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) se configura para la ejecución en el contexto de aplicación de una aplicación de usuario, y dicho agente de espacio de núcleo (16) se adapta para responder a un fallo de aplicación de usuario ordenando conmutar a dicho centro de controlador de dispositivo de red (14) a dicho primer modo de funcionamiento.

14. La arquitectura de controlador de dispositivo de red de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, en donde dicho agente de espacio de núcleo (16) incluye la funcionalidad de vigilancia para ordenar conmutar a dicho centro de controlador de dispositivo de red (14) a dicho primer modo de funcionamiento si no hay llamada desde la funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) durante un periodo de tiempo predeterminado.

15. Un método para permitir el acceso entre el espacio de núcleo del sistema operativo y un Controlador de Interfaz de Red, también referido como un NIC, así como entre el espacio de usuario y dicho NIC (30), dicho método que comprende los pasos de:

- permitir el acceso entre el espacio de núcleo y el espacio de usuario a través de un interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15);

- permitir el acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC a través de un interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para enviar y recibir información a/desde la red; e

- interconectar dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25) para permitir el acceso tunelizado del espacio de usuario entre el espacio de núcleo y dicho NIC para enviar y recibir información a/desde la red,

caracterizado porque la información a ser transferida entre un protocolo de nivel de núcleo (45) en el espacio de núcleo y dicho NIC se tunelizará a través del espacio de usuario por el interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo interconectado (15) y el interfaz de espacio de usuario-NIC (25).

16. El método de acuerdo con la reivindicación 15, en donde dicho paso de interconexión comprende los pasos de:

- traer la información de puntero, apuntando a los datos en una memoria común (50), desde un almacenador de memoria asociado con uno de dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15) y dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25); e

- insertar dicha información de puntero dentro de un almacenador de memoria asociado con el otro de dicho interfaces.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 15, en donde dicha funcionalidad de acceso NIC se distribuye entre un controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) y la funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20).

18. El método de acuerdo con la reivindicación 17, que además comprende, para la comunicación saliente de protocolo de nivel de núcleo, los pasos de insertar la información de puntero dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10), apuntando a los datos en una memoria común (50), dentro del almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15), y dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) que trae dicha información de puntero de allí e insertarla dentro del almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25), y dicho NIC (30) que trae dicha información de puntero desde el almacenador de transmisión asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC y que lee los datos correspondientes de dicha memoria común (50) basados en la información de puntero obtenida.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 17, que además comprende, para la comunicación entrante de protocolo de nivel de núcleo, los pasos de insertar dicha NIC (30) la información de puntero, apuntando a los datos en una memoria común (50), dentro de un almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC (25), y dicha funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) que trae dicha información de puntero desde el almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-NIC e insertarla dentro del almacenador de recepción asociado con dicho interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo (15), y dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) que trae dicha información de puntero para transferir a un protocolo de nivel de núcleo (45), que lee los datos correspondientes de dicha memoria común (50) basados en la información de puntero.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 15, en donde dicho paso de permitir acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC (30) y dicho paso de interconexión se ejecutan en el contexto de aplicación de una aplicación de usuario.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 20, en donde dicho paso de permitir acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC (30) y dicho paso de interconexión se realizan por la funcionalidad de controlador de dispositivo de espacio de usuario (20) implementada como la funcionalidad de librería de espacio de usuario.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 15, que además comprende los pasos de:

- en un primer modo de funcionamiento de un controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10), acceder directamente a dicho NIC (30) desde dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) a través de un interfaz de espacio de núcleo-NIC (35);

- en un segundo modo de funcionamiento de dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10), acceder a dicho NIC (30) a través del interfaz de espacio de usuario-espacio de núcleo interconectado (15) y el interfaz de espacio de usuario-NIC (25).

23. El método de acuerdo con la reivindicación 22, en donde dicho paso de permitir acceso directo entre el espacio de usuario y dicho NIC (30) y dicho paso de interconectar se ejecutan en el contexto de aplicación de una aplicación de usuario, y el sistema operativo ordena conmutar a dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) a dicho primer modo de funcionamiento en respuesta a un fallo de aplicación de usuario.

24. El método de acuerdo con la reivindicación 22 ó 23, que además comprende el paso de conmutar a dicho primer modo de funcionamiento si no hay llamada del espacio de usuario a dicho controlador de dispositivo de espacio de núcleo (10) durante un periodo de tiempo predeterminado.

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