Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

На рис. 5.12 приведена схема работы удаленного пользователя в системе с использованием псевдотерминала.

Рис. 5.12. Архитектура удаленного доступа с использованием псевдотерминала

Подсистема STREAMS

Архитектура подсистемы потокового ввода/вывода STREAMS впервые была описана в статье Ритчи "Потоковая система ввода/вывода" (Ritchie, D.M., "A Stream Input-Output System", AT&T Bell Laboratories Technical Journal, Vol. 63, No. 8, Oct. 1984) в 1984 году. Двумя годами позднее эта система была реализована в коммерческой версии UNIX SVR3.

Поводом для создания новой архитектуры ввода/вывода послужили несколько обстоятельств.

Традиционная система ввода/вывода, ориентированная на посимвольную передачу данных и рассмотренная ранее в этой главе, была изначально предназначена для работы с ограниченным числом низкоскоростных асинхронных терминальных устройств. Операционная система взаимодействует с такими устройствами (через точки входа в драйвер) на достаточно высоком уровне, возлагая основную обработку данных на драйвер. При этом только часть кода драйвера аппаратно зависима. Остальная обработка может являться однотипной для широкого спектра периферийного оборудования. По мере роста числа поддерживаемых операционной системой устройств использование стандартной архитектуры подсистемы ввода/вывода приводило к существенным накладным расходам, в частности, к неоправданному дублированию кода в ядре UNIX.

Другой побудительной причиной для разработки новой подсистемы ввода/вывода явилось отсутствие стандартного механизма буферизации данных для символьных устройств. По мере увеличения скоростей передачи, посимвольная обработка и передача стала неэффективной. Поэтому был разработан ряд подходов для обеспечения буферизации, например использование механизма, основанного на структуре clist, рассмотренного нами ранее. Однако такие схемы, по-прежнему обладая невысокой производительностью, по существу возлагают буферизацию данных на драйвер, что приводит к неэффективному распределению памяти.

Наконец, необходимость поддержки сетевых протоколов, большинство из которых имеют уровневую организацию, требует соответствующей архитектуры подсистемы ввода/вывода. Передача сетевых данных производится в виде пакетов или сообщений, при этом каждый уровень сетевого протокола производит определенную обработку и передает их другому уровню. Каждый уровень имеет стандартные интерфейсы взаимодействия с другими (верхним и нижним уровнями) и при этом может работать с различными протоколами верхнего и нижнего уровней. Например, протокол IP (уровень 3 модели OSI)[56] может поддерживать работу нескольких протоколов верхнего уровня: TCP и UDP. На нижнем уровне протокол IP также взаимодействует с несколькими протоколами, обеспечивая передачу данных через различные сетевые интерфейсы (например, Ethernet, Token Ring или последовательный канал). Такая организация сетевых протоколов предполагает иерархическую структуру подсистемы ввода/вывода, когда драйверы являются объединением независимых модулей.

Подсистема STREAMS в большой степени призвана решить эти задачи. Она предоставляет интерфейс обмена данными, основанный на сообщениях, и обеспечивает стандартные механизмы буферизации, управления потоком данных и различную приоритетность обработки. В STREAMS дублирование кода сводится к минимуму, поскольку однотипные функции обработки реализованы в независимых модулях, которые могут быть использованы различными драйверами. Сам драйвер обеспечивает требуемую функциональность, связывая в цепочку один или несколько модулей, подобно тому как программный канал позволяет получить новое качество обработки, связав несколько независимых утилит.

Сегодня подсистема STREAMS поддерживается большинством производителей операционных систем UNIX и является основным способом реализации сетевых драйверов и модулей протоколов. Использование STREAMS охватывает и другие устройства, например терминальные драйверы в UNIX SVR4.

Архитектура STREAMS

Подсистема STREAMS обеспечивает создание потоков — полнодуплексных каналов между прикладным процессом и драйвером устройства[57]. С другой стороны, архитектура STREAMS определяет интерфейсы и набор правил, необходимых для взаимодействия различных частей этой системы и для разработки модульных драйверов, обеспечивающих такое взаимодействие и обработку.

На рис. 5.13 показана общая архитектура коммуникационного канала между процессом и драйвером STREAMS. Сам поток полностью располагается в пространстве ядра, соответственно и все функции обработки данных выполняются в системном контексте. Типичный поток состоит из головного модуля, драйвера и, возможно, одного или более модулей. Головной модуль взаимодействует с прикладными процессами через интерфейс системных вызовов. Драйвер, замыкающий поток, взаимодействует непосредственно с физическим устройством или псевдоустройством, в качестве которого может выступать другой поток. Модули выполняют промежуточную обработку данных.

Рис. 5.13. Базовая архитектура потока

Процесс взаимодействует с потоком, используя стандартные системные вызовы open(2), close(2), read(2), write(2) и ioctl(2). Дополнительные функции работы с потоками включают poll(2), putmsg(2) и getmsg(2). Передача данных по потоку осуществляется в виде сообщений, содержащих данные, тип сообщения и управляющую информацию. Для передачи данных каждый модуль, включая головной модуль и сам драйвер, имеет две очереди — очередь чтения (read queue) и очередь записи (write queue). Каждый модуль обеспечивает необходимую обработку данных и передает их в очередь следующего модуля. При этом передача в очередь записи осуществляется вниз по потоку (downstream), а в очередь чтения — вверх по потоку (upstream). Например, на рис. 5.13 из очереди записи модуля 2 сообщение может быть передано в очередь записи модуля 1, но не наоборот. В свою очередь сообщение из очереди чтения модуля 2 передается в очередь чтения головного модуля, который далее передает данные процессу в ответ на системный вызов read(2). Когда процесс выполняет системный вызов write(2), данные передаются головному модулю и далее вниз по потоку.

Сообщения также могут передаваться в парную очередь. Другими словами, из очереди записи модуля 1 сообщение может быть направлено в очередь чтения того же модуля, а затем, при необходимости, передано вверх по потоку. При этом модулю нет необходимости знать, какой части потока принадлежит следующая очередь — головному или промежуточному модулю, или драйверу. Такой подход позволяет производить разработку модулей независимо друг от друга и использовать их затем в различных комбинациях и в различных потоках.

Подсистема STREAMS обеспечивает возможность такой комбинации благодаря механизму динамического встраивания (push) модуля в поток. Встраивание модуля возможно непосредственно после головного модуля. При этом будут установлены связи между соответствующими очередями встраиваемого модуля, головного модуля и модулей вниз по потоку. После этого встроенный модуль будет производить определенную обработку проходящих данных, тем самым изменяя изначальную функциональность потока. При необходимости модуль может быть извлечен (pop) из потока.

На рис. 5.14 показаны различные потоки, созданные из нескольких стандартных компонентов, для поддержки сетевых протоколов семейства TCP/IP. Причем модули IP, TCP и UDP могут поставляться одним производителем, а драйверы Ethernet или Token Ring соответствующими производителями сетевых адаптеров. В результате встраивания необходимых модулей первый поток будет обеспечивать передачу трафика TCP через адаптер Ethernet, в то время как второй — передачу трафика UDP через адаптер Token Ring.

Рис. 5.14. Использование одних и тех же модулей для создания различных потоков

Подсистема STREAMS также обеспечивает возможность мультиплексирования потоков. Мультиплексирующий драйвер может быть подключен к нескольким модулям как вверх, так и вниз по потоку. Различают три типа мультиплексоров — верхний, обеспечивающий мультиплексирование вверх по потоку, нижний, обеспечивающий мультиплексирование вниз по потоку, и гибридный, поддерживающий несколько потоков выше и ниже мультиплексора.

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.