分层体系结构模式的应用

author: liucy

前言：

软件体系结构根据项目的情况从大的方向来看可分为 从混沌到结构、分布式系统、交互式系统和适应性系统等等。

分层模式属于从混沌到结构，他适用一项工作可以分解为子任务，其中每个子任务处于一个特定的抽象层次上。

分层的应用很广泛，Windows系统/Linux系统中都有这种应用的存在，就是嵌入式硬件中也存在，如RMI的mips体系结构的板子中的加密引擎中就存在这种应用。

说明:

这里从Windows驱动或linux中总结一下分层体系结构一些特点，思想可为我们所用。

1 使用条件：  一个需要分解的比较大的大系统。如Windows内核，他是采用了层次结构，这是我们都知道的。比较著名的网络协议的iso 7层模型。

2 分层的标准： 这个没有一定的标准，但是简单可以按照一个层次只做一件事的原则来分解。

3 层次的要求：下层不可见上层，上层可见下层。也就是说下层暴露的接口可以为上层可见和使用，而上层暴露的接口不可以为下层可见和使用。

4 一个统一的数据结构作为数据流再所有层次中流转，作为数据传递的介质。Windows中就是常见的IRPs,Linux网络中是sk_buff结构。

5 上面实现了从上向下单向数据流，可需要双工怎么办，也就是底层需要调用上层？如Windows驱动中底层硬件完成了操作，如何通知上层应用呢？注意，这里不是说可以通过轮训或者中断等等方法之类来调用上层的问题，而是如何调用上层模块的方式。

笼统的说是采用回调的方式，简单实用。

5.1   linux内核网络部分实现的层次回调

linux中是使用了模块注册钩子方式，固定了层次之间的关系。在底层收到事件需要传递到上层时，使用注册的钩子，把数据传递到上层模块。

   如网卡接收到数据后，需要传递给ip层，看看他是如何做的。

   先看一个数据结构：

        struct packet_type {
        __be16                        type;        /* 上层的类型，这里是ip协议：0x0800 */
        struct net_device        *dev;       
        int                        (*func) (struct sk_buff *,
                                         struct net_device *,
                                         struct packet_type *,
                                         struct net_device *);  /* 这是关键所在。上层注册的回调函数 */

        struct sk_buff                *(*gso_segment)(struct sk_buff *skb,
                                                int features);
        int                        (*gso_send_check)(struct sk_buff *skb);
        void                        *af_packet_priv;
        struct list_head        list;    /* 链路层保持的上层协议注册的结构链表。*/
};

   ip模块初始化：

        static struct packet_type ip_packet_type = {
        .type = __constant_htons(ETH_P_IP),
        .func = ip_rcv, /* 接收回调函数 */
        .gso_send_check = inet_gso_send_check,
        .gso_segment = inet_gso_segment,
        };

        static int __init inet_init(void)
        {
            ....

            dev_add_pack(&ip_packet_type); / * 链路层提供的接口，注册了ip层回调到底层. */

            ....
        }

       这样，在底层链路层收到tcp/ip数据后，根据链路层中协议字段值作为.type的检索值，调用func。这里的func就是ip_rcv.
   
       由于这种模块间紧注册的关系，造成linux提供的只能以hook点方式来过滤数据。
      
5.2 Windows内核实现的层次回调

        Windows内核的层次调用与linux不同：Windows通过irp动态完成回调的处理，也就是通过模块间的数据流同时携带了控制流，而不是如同linux通过模块间注册回调来完成，这是两种不同的思路。

        windows这种设计有它的灵活性，比如更加方便的动态添加过滤模块。

        下面看看windows如何处理的。首先了解一下单个i/o 栈结构:

        MajorFunction
        MinorFunction
        Flags
        Control
        Parameters (32 bytes)
        DeviceObject
        FileObject
        CompletionRoutine      ---> 关键点, 回调函数地址
        Context Pointer

        通过IoSetCompletionRoutine设置回调：

        #define IoSetCompletionRoutine( Irp, Routine, CompletionContext,
                        Success, Error, Cancel ) {           PIO_STACK_LOCATION irpSp;  
                                ASSERT( (Success) | (Error) | (Cancel) ? (Routine) !=
                                NULL : TRUE );  
                irpSp = IoGetNextIrpStackLocation( (Irp) );  
                irpSp->CompletionRoutine = (Routine);   /* 回调函数哦 */
                irpSp->Context = (CompletionContext);  
                irpSp->Control = 0;  
                if ((Success)) { irpSp->Control = SL_INVOKE_ON_SUCCESS; }  
                if ((Error)) { irpSp->Control |= SL_INVOKE_ON_ERROR; }  
                if ((Cancel)) { irpSp->Control |= SL_INVOKE_ON_CANCEL; }
        }

       注意了,这个回调函数注册位置不是在本驱动所在的stack位置，而是下一个驱动的stack位置上。这样做，一方面是最底层驱动并不需要回调函数，他在完成任务后直接调用IoCompleteRequest()；另一方面从空间利用的角度来考虑的，一般分配irp的驱动并不需要i/0 stack，而最低层驱动并不需要完成函数，所以把完成例程放到了下一个i/o栈。

        i/o管理器在这里也起到关键作用。在完成回调中，i/o管理器分为两个阶段完成：线程无关处理和线程相关处理。线程无关处理主要是个分层驱动的回调接口的调用；而线程相关处理是把irp中数据copy给相关的线程。       

6 总结

        这里列的技术大家可能都知道，仅是对比一下，看看两种系统对分层模式再系统设计中的应用。重点是在系统中如何使用分层模式。

        两种不同分层的实现：模块注册回调（注册完成即是层次确定之时）和数据流中注册回调（层次确定通过设备链动态完成），各有优势。在系统设计过程中综合考虑，可以采用不同的方案来解决。

        有不对的地方，请大家指教。

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