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CN111726201B - 一种airt-ros虚拟网卡丢包解决方法 - Google Patents

一种airt-ros虚拟网卡丢包解决方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AIRT‑ROS虚拟网卡丢包解决方法，所述方法包括：应用程序通过AIRT‑ROS向虚拟网卡发送数据包时，当虚拟网卡的接收队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢发送速度；虚拟网卡通过AIRT‑ROS向应用程序发送数据包时，虚拟网卡的发送队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢接收速度；本发明的优点在于：通过设置标志位并通知上层应用或远端应用调整发送速度，缓解上层应用和虚拟网卡因为发送速度不一致而导致的丢包问题。

Description

一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法
技术领域
本发明涉及虚拟网卡的丢包领域，更具体涉及一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法。
背景技术
目前，大多数虚拟网卡丢失数据包的情况可划分为如下几类：主机连接类故障包括主机与virtual connection(虚拟连接)连接断开，主机不能直接通过VIC(virtualInternet Connection,虚拟互联网连接)或SSH(Secure Shell,安全协议外壳)连接，故障切换/故障回复后的虚拟机网络丢失。vSwitch切换过程中内核或驱动类故障导致的丢包，包括部分虚拟机网络受阻，或者全部虚拟机、主机管理端口在内的网络受阻。虚拟网卡丢包场景可包括：当虚拟网卡出现故障后，上层应用不了解虚拟网卡状态，依然正常发送报文，导致丢包；主机出现故障后，上层应用默认虚拟网卡已经发送完毕，未能检测数据包实际是否发送成功；上层应用报文传输速率超过虚拟网卡驱动可传输速率，虚拟网卡上报操作系统丢包，再由操作系统通知上层应用已经丢包，上层应用再做相应调整，整个消息链传送丢包消息的过程中已经导致部分报文丢失。
通过分析上述现象，虚拟网卡丢包的主要原因是虚拟网卡或者主机出现故障而导致的数据包丢失，以及虚拟网卡的转发能力不能满足上层应用程序发送、接收数据包的速率造成的，其实质是虚拟网卡和上层应用程序的发送、接收数据包速率不同步。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术虚拟网卡和上层应用程序的发送、接收数据包速率不同步导致丢包的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法，所述方法包括：
应用程序通过AIRT-ROS(Artificial Intelligence Real Time-RobotOperating System，人工智能实时机器人操作系统)向虚拟网卡发送数据包时，当虚拟网卡的接收队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢发送速度；虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包时，虚拟网卡的发送队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢接收速度。
优选的，所述AIRT-ROS是基于AMP架构的多核双操作系统，其中一个操作系统是Linux，另一个操作系统是机器人实时操作系统，所述AIRT-ROS包括Linux内核以及机器人实时操作系统内核，所述Linux内核包括机器人操作系统、第一超文本传输协议、文件传输协议以及第一本地高级可编程中断控制器，所述机器人实时操作系统内核包括机器人实时操作系统、第二超文本传输协议以及第二本地高级可编程中断控制器，所述Linux内核与所述机器人实时操作系统内核通过IPI接口连接，所述机器人操作系统与所述机器人实时操作系统通过虚拟交换机进行虚拟连接，所述第一本地高级可编程中断控制器通过第一输入输出高级可编程中断控制器连接非实时设备以及虚拟网卡，所述第二本地高级可编程中断控制器通过第二输入输出高级可编程中断控制器连接实时设备，所述虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包，或者虚拟网卡通过AIRT-ROS接收应用程序发送的数据包。
优选的，所述虚拟网卡的驱动程序划分为四层结构，即网络协议接口层、网络设备接口层、网络驱动接口层、设备媒介层，通过在网络协议接口层和网络驱动接口层中设置钩子函数，预先判断虚拟网卡的接收队列的状态或者发送队列的状态，通知上层应用程序控制传输报文速率。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)为解决虚拟网卡的丢包问题，本发明提出一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方案，通过在网络协议接口层和网络驱动接口层中设置钩子函数，预先判断发送队列的状态或者接收对列的状态，设置标志位并通知上层应用或远端应用调整发送速度，缓解上层应用和虚拟网卡因为发送速度不一致而导致的丢包。
(2)提供一种基于AMP架构的多核双操作系统AIRT-ROS，AIRT-ROS的其中一个操作系统是Linux，另一个操作系统是机器人实时操作系统，Linux和机器人实时操作系统分别执行非实时进程和实时进程；分别响应非实时设备中断和实时设备中断；支持非实时进程和实时进程之间通信；集成了Linux众多驱动，极大的减轻了驱动通用外部设备的工作量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法的虚拟网卡的架构图；
图2为本发明实施例提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法的虚拟网卡接收报文驱动程序段流程图；
图3为本发明实施例提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法的虚拟网卡接收报文协议栈阶段流程图；
图4为本发明实施例提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法的虚拟网卡发送数据包的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法的AIRT-ROS的架构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法分别包括虚拟网卡发送数据包过程的丢包解决方案以及虚拟网卡接收数据包过程的丢包解决方案，下面通过实例详细介绍。
一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法，所述方法包括：
应用程序通过AIRT-ROS(Artificial Intelligence Real Time-RobotOperating System，人工智能实时机器人操作系统)向虚拟网卡发送数据包时，当虚拟网卡的接收队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢发送速度；具体的，如图1所示，为虚拟网卡的架构图，所述虚拟网卡的驱动程序划分为四层结构，即网络协议接口层、网络设备接口层、网络驱动接口层、设备媒介层，通过在网络协议接口层和网络驱动接口层中设置钩子函数，预先判断虚拟网卡的接收队列的状态，通知上层应用程序控制传输报文速率。根据网络报文的流向，分别在报文作路由以前执行钩子函数，在报文转向另一个网络接口以前执行钩子函数，在报文流出以前执行钩子函数，在流入本地的报文作路由以后执行钩子函数以及在本地报文做流出路由前执行钩子函数，从而在整个数据传输过程中预判断虚拟网卡的接收、发送速率是否能满足上层应用程序需求。钩子函数经过处理后都将返回下列内容之一：继续正常的报文处理、将报文丢弃、由钩子函数处理了该报文，不要再继续传送、将报文入队，通常交由用户程序处理、再次调用该钩子函数，从而告知AIRT-ROS核心代码处理结果，以便对报文采取相应的动作。
虚拟网卡接收数据包的流程分为两阶段，第一个阶段接收报文驱动程序段流程，第二个阶段接收报文协议栈阶段流程。首先介绍接收报文驱动程序段流程。如图2所示，为虚拟网卡接收报文驱动程序段流程图，数据包到达，启动中断服务程序，执行接收函数即AIRT_rx()，分配生成缓冲数据结构即skb结构，然后调用公共的报文接收函数，将缓冲数据结构放入cpu网络数据队列中，设置软中断，调用钩子函数判断报文速率是否超过最大传输单元值，并且设置标志位，等待cpu调度。
第二个阶段接收报文协议栈阶段流程。如图3所示，为虚拟网卡接收报文协议栈阶段流程图，首先由调度程序按照登记的网络报文中断行为处理所有协议报文，将报文上送IP层处理，待通过有效性检查后，执行AIRT_HOOK(ip_rcv_finish)钩子函数判断报文速率，设置标志位，根据路由判断是否为组播报文，如果是组播，调用组播转发函数，如果是单播报文，则调用单播转发函数，按照IP报文序列号收集IP碎片，调用ip_local_deliver_finish钩子函数，重建缓冲数据结构，剥掉ip头，上送cpu处理，重新开始接收报文，接收所有报文后退出。
虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包时，虚拟网卡的发送队列超过最大传输单元值时，设置标志位并通知上层应用减慢接收速度。如图1所示，所述虚拟网卡的驱动程序划分为四层结构，即网络协议接口层、网络设备接口层、网络驱动接口层、设备媒介层，通过在网络协议接口层和网络驱动接口层中设置钩子函数，预先判断虚拟网卡的发送队列的状态。钩子函数的设置以及执行过程同上，在此不做赘述。
虚拟网卡发送数据包的流程图如图4所示，首先创建报文发送接口，然后决定路由信息，重建收发包的缓冲区域即重建缓冲数据结构，原报文头添加新IP头，按照路由返回结果设置IP头，调用LOCALOUT钩子函数判断报文速率，设置标志位，设置当前数据包的转发状态，在标记状态后执行后续发送数据包的步骤，判断报文和最大传输单元(MaximumTransmission Unit，MTU)的关系，如果缓冲数据结构大于等于MTU则数据包分片，小于MTU则报文不需要分片，最后发送请求进入网卡的缓冲队列等待调度后发送。
本发明的虚拟网卡是应用于AIRT-ROS的，且虚拟网卡发送数据包和接收数据包均建立在AIRT-ROS的，下面5详细介绍AIRT-ROS，如图5所示，为AIRT-ROS的架构图，所述AIRT-ROS是基于AMP架构的多核双操作系统，其中一个操作系统是Linux，另一个操作系统是机器人实时操作系统，所述AIRT-ROS包括Linux内核以及机器人实时操作系统内核，所述Linux内核包括机器人操作系统(ROS，Robot Operating System)、第一超文本传输协议(HTTP，Hyper Text Transfer Protocol)、文件传输协议(FTP，File Transfer Protocol)以及第一本地高级可编程中断控制器(LAPIC，Local Advanced Programmable InterruptController)，所述机器人实时操作系统内核包括机器人实时操作系统(RT-ROS，RealTime-Robot Operating System)、第二超文本传输协议(HTTP，Hyper Text TransferProtocol)以及第二本地高级可编程中断控制器(LAPIC，Local Advanced ProgrammableInterrupt Controller)，所述Linux内核与所述机器人实时操作系统内核通过IPI接口连接，所述机器人操作系统与所述机器人实时操作系统通过虚拟交换机(vSwitch，VirtualSwitch)进行虚拟连接，所述第一本地高级可编程中断控制器通过第一输入输出高级可编程中断控制器连接非实时设备以及虚拟网卡，所述第二本地高级可编程中断控制器通过第二输入输出高级可编程中断控制器连接实时设备，所述虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包，或者虚拟网卡通过AIRT-ROS接收应用程序发送的数据包。
通过以上技术方案，本发明提供的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法能够解决虚拟网卡数据丢包的问题，且本发明的虚拟网卡发送数据包和接收数据包均在AIRT-ROS系统上进行的，该系统允许Linux和机器人实时操作系统分别执行非实时进程和实时进程；分别响应非实时设备中断和实时设备中断；支持非实时进程和实时进程之间通信；集成了Linux众多驱动，极大的减轻了驱动通用外部设备的工作量。AIRT-ROS在Linux系统的负载非常重的情况下，也不会影响机器人实时操作系统对实时进程的执行速度。另一方面，AIRT-ROS在机器人实时操作系统内核与Linux通讯连接，使得实时系统中可方便的调用ROS中封装的机器人控制算法，极大减轻了开发机器人控制算法的工作量。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，当虚拟网卡A向目标虚拟网卡X发送数据包时，数据包从虚拟网卡A出发，依次经过设备B、设备C以及设备D抵达目标虚拟网卡X。
当虚拟网卡A的发送队列超过最大传输单元值时，虚拟网卡A先向数据包传输链路上的各个转发节点发出带宽问询指令，即虚拟网卡A向设备B发出带宽问询指令，设备B向虚拟网卡A返回剩余带宽。
虚拟网卡A在收到链路上的设备B的剩余带宽后，判断链路上的设备B的剩余带宽是否均大于待发送数据包的数据量，若是，虚拟网卡A使用备用链路将数据包发送至设备B，若否，设置标志位并通知上层应用减慢发送速度。设备B接收到数据包后再向设备C发出带宽问询指令，设备C向设备B返回其剩余带宽，设备B在收到链路上的设备C的剩余带宽后，判断链路上的设备C的剩余带宽是否均大于待发送数据包的数据量，若是，设备B使用备用链路将数据包发送至设备C，若否，设置标志位并通知设备B减慢发送速度；设备C接收到数据包后再向设备D发出带宽问询指令，设备D向设备C返回其剩余带宽，设备C在收到链路上的设备D的剩余带宽后，判断链路上的设备D的剩余带宽是否均大于待发送数据包的数据量，若是，设备C使用备用链路将数据包发送至设备D，若否，设置标志位并通知设备C减慢发送速度；设备D接收到数据包后再向虚拟网卡X发出带宽问询指令，虚拟网卡X向设备D返回其剩余带宽，设备D在收到链路上的虚拟网卡X的剩余带宽后，判断链路上的虚拟网卡X的剩余带宽是否均大于待发送数据包的数据量，若是，设备D使用备用链路将数据包发送至虚拟网卡X，若否，设置标志位并通知设备D减慢发送速度。
应用本发明上述实施例，在数据包传输链路上的各个设备的剩余带宽都满足需求时，并不减缓数据包的发送速度；只有在各个设备的剩余带宽并不都是满足需求时，才会减缓数据包的发送速度，保证了虚拟网卡发送数据包的实时性。
进一步的，可以在虚拟网卡A的发送队列中的数据包的数据量达到最大传输单元的预设数量倍时，虚拟网卡A先向数据包传输链路上的转发节点发出带宽问询指令，且预设数量小于1。如果虚拟网卡A在收到链路上的位于其下一级的设备的剩余带宽后，判断链路上的该设备的剩余带宽是否大于待发送数据包的数据量，若虚拟网卡A使用备用链路将数据包发送至其下一级设备，若否，设置标志位并通知上层应用减慢发送速度。
例如，上层应用的数据包发送速度为15个/秒，在发送队列中的数据包的数据量达到最大传输单元的0.8倍时，将上层应用的数据包发送速度降至12个/秒，然后进行数据包的发送，由于上层应用响应指令需要一个过程，在此过程中，发送队列还会以原速度接收数据包，最大传输单元剩余的容量用于存储该过程中产生的数据包，进而可以避免在最大传输队列已经满的情况下，上层应用仍然以原速度发送数据包导致的最大传输队列无法进行数据包的存储导致的丢包的问题。
需要强调的是，最大传输队列已满的情况是指，虚拟网卡的发送队列超过最大传输单元值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法，其特征在于，所述方法包括：
应用程序通过AIRT-ROS向虚拟网卡发送数据包时，当虚拟网卡的接收队列超过最大传输单元值时，虚拟网卡设置表示接收队列的状态的标志位，虚拟网卡将标志位发送给上层应用，上层应用接收标志位以后减慢发送速度；虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包时，虚拟网卡的发送队列超过最大传输单元值时，虚拟网卡设置表示发送队列的状态的标志位，虚拟网卡将标志位发送给上层应用，上层应用接收标志位以后减慢接收速度；
所述AIRT-ROS是基于AMP架构的多核双操作系统，其中一个操作系统是Linux，另一个操作系统是机器人实时操作系统，所述AIRT-ROS包括Linux内核以及机器人实时操作系统内核，所述Linux内核包括机器人操作系统、第一超文本传输协议、文件传输协议以及第一本地高级可编程中断控制器，所述机器人实时操作系统内核包括机器人实时操作系统、第二超文本传输协议以及第二本地高级可编程中断控制器，所述Linux内核与所述机器人实时操作系统内核通过IPI接口连接，所述机器人操作系统与所述机器人实时操作系统通过虚拟交换机进行虚拟连接，所述第一本地高级可编程中断控制器通过第一输入输出高级可编程中断控制器连接非实时设备以及虚拟网卡，所述第二本地高级可编程中断控制器通过第二输入输出高级可编程中断控制器连接实时设备，所述虚拟网卡通过AIRT-ROS向应用程序发送数据包，或者虚拟网卡通过AIRT-ROS接收应用程序发送的数据包。
2.根据权利要求1所述的一种AIRT-ROS虚拟网卡丢包解决方法，其特征在于，所述虚拟网卡的驱动程序划分为四层结构，即网络协议接口层、网络设备接口层、网络驱动接口层、设备媒介层，通过在网络协议接口层和网络驱动接口层中设置钩子函数，预先判断虚拟网卡的接收队列的状态或者发送队列的状态，通知上层应用程序控制传输报文速率。
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