Linux通过改进的epoll实现对不同超时时间的数据包重传


应用背景：
 
epoll模型是当前Linux网络编程的主流模型，可以高效解决多个事件并发的问题。在进行网络编程时，往往要对每一个发出的数据包进行ACK确认，若在指定的时间内没有收到ACK，则需要重传或者丢弃该数据包。那么如果在epoll模型中实现该功能呢？

先来看看传统的做法：程序维护一个“已发出但是没收到ACK”的数据包记录R，记录包括数据包内容、数据包发送的时间戳t以及超时时间T。当需要进行数据包发送时，在发出数据包的同时把该数据包加入记录R，接下来程序继续执行。在这个方法中，程序需要通过一种手段定时检测当前时间now是否大于记录R中的每一个数据包的t+T，若大于，则说明数据包接收ACK超时，可以通过多线程技术或者在程序主循环中每循环一次检测一次。
 
现在的问题是：一般的epoll模型，程序都会阻塞在epoll_wait调用上，程序没有办法循环检测记录R，有人会说，epoll_wait不是有超时时间么？的确，但是这个超时只能针对一个数据包的情况，试想一下，若程序当前依次发出了10个数据包，各自的超时时间分别为3秒、5秒、2秒等等，那么epoll_wait的超时时间应该设置多长呢？答案是没有办法。因为前面的数据包万一设置的epoll_wait超时时间比较长，后面来了一个超时时间短的，由于epoll_Wait的阻塞，就会错失后面超时时间短的数据包的重发机会。

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因此，本文实现了一个基于升序时间链表的tepoll，可以对不同超时间隔的数据包进行超时重传。主要思想是：
 
1、在发送数据包的同时，把数据包以及其超时值封装成一个“已发送但未应答”的对象，并根据超时值插入升序时间链表；
 
2、对epoll进行封装，使得其在每一次调用前，先查询升序时间链表中最近的超时时间T，并把该超时时间T作为epoll_wait的超时值；
 
3、若在超时前epoll_wait返回，说明收到ACK，根据ACK与数据包的对应关系删除时间链表中的记录；
 
4、若epoll_wait超时，则遍历时间链表，查找now>t+T的数据包（此时最少有一个数据包超时），调用send将其进行重发，同时执行步骤1；

下面贴上主要代码进行讲解：

struct tevent_t
{
 tevent_t *next;//指向下一个节点
 struct timeval tv;//超时时间
 void ( *func )( void * );//超时回调函数
 void *arg;//回调函数参数
 unsigned int id;//超时定时器ID
};//升序时间链表节点

static tevent_t *active = NULL;  /* active timers */
static tevent_t *free_list = NULL; /* inactive timers */
/* end declarations */

 

//从free_list中分配一个空闲的节点
static tevent_t *allocate_timer( void )
{
 tevent_t *tp;

 if ( free_list == NULL ) /* need new block of timers? */
 {
  free_list = (tevent_t *)malloc( NTIMERS * sizeof( tevent_t ) );
  if ( free_list == NULL )
   error( 1, 0, "couldn't allocate timers\n" );
  for ( tp = free_list;
    tp < free_list + NTIMERS - 1; tp++ )
   tp->next = tp + 1;
  tp->next = NULL;
 }
 tp = free_list;    /* allocate first free */
 free_list = tp->next;  /* and pop it off list */
 return tp;
}

 

//在发送数据后调用，往时间链表中加入一个节点
unsigned int timeout( void ( *func )( void * ), void *arg, int ms )
{
 tevent_t *tp;
 tevent_t *tcur;
 tevent_t **tprev;
 static unsigned int id = 1;   /* timer ID */

 tp = allocate_timer();
 tp->func = func;
 tp->arg = arg;
 if ( gettimeofday( &tp->tv, NULL ) < 0 )
  error( 1, errno, "timeout: gettimeofday failure" );
 tp->tv.tv_usec += ms * 1000;
 if ( tp->tv.tv_usec > 1000000 )
 {
  tp->tv.tv_sec += tp->tv.tv_usec / 1000000;
  tp->tv.tv_usec %= 1000000;
 }
 for ( tprev = &active, tcur = active;
    tcur && !timercmp( &tp->tv, &tcur->tv, < ); /* XXX */
    tprev = &tcur->next, tcur = tcur->next )
 { ; }
 *tprev = tp;
 tp->next = tcur;
 tp->id = id++;    /* set ID for this timer */
 return tp->id;
}
/* end timeout */

/* untimeout - cancel a timer */

 

//收到ACK后调用，从时间链表中删除一个节点
void untimeout( unsigned int id )
{
 tevent_t **tprev;
 tevent_t *tcur;

 for ( tprev = &active, tcur = active;
    tcur && id != tcur->id;
    tprev = &tcur->next, tcur = tcur->next )
 { ; }
 if ( tcur == NULL )
 {
  error( 0, 0,
   "untimeout called for non-existent timer (%d)\n", id );
  return;
 }
 *tprev = tcur->next;
 tcur->next = free_list;
 free_list = tcur;
}

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