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Operating System Project 2 Report Spring 2018 NTU

程式的設計

  • src/master_device/ : 裡面包含
    • Makefile: master_device 的 Makefile，我們用其編譯核心模組，使得我們能透過 sudo insmod 來安裝模組，接著便能供 master 的 user_program: master.c 使用。
    • master_device.c: 實作 master_device 的 file operation, 包含負責建立 socket 連結的 ioctl, 接收 user program 資料的 write 與 mmap。
  • src/slave_device/ : 此資料夾主要由助教提供的 sample_code 來改進，進行了 fcntl 和 mmap 的實作以及傳輸時間的計算。另外 page descriptors of the mapped memory region 也能透過 dmesg 來查看。
    • Makefile: slave_device 的 Makefile，我們用其編譯核心模組，使得我們能透過 sudo insmod 來安裝模組，接著便能供 slave 的 user_program: slave.c 使用。
    • slave_device.c: 我們同樣在參考了 sample_code 裡 slave_device 的範例來實作 slave_device.c，另外在核心模組的觀念上，我們也參考了下列連結的 c 程式碼：
  1. http://derekmolloy.ie/writing-a-linux-kernel-module-part-1-introduction/
  2. http://derekmolloy.ie/writing-a-linux-kernel-module-part-2-a-character-device/
  • src/ksocket/: 此資料夾主要由助教提供的 sample_code 而來，包含了用 C 實作的 kernel_module 以及 Makefile 來編譯此 kernel_module。正如同助教所說，此資料夾主要把 kernel socket 的方程式用一些 wrapper 包起來，如此能讓 master, slave 在使用上能比較方便。
  • src/user_program/master.c : 透過 sudo insmod *.ko 來安裝 master_device 後，我們便能透過 master 的 user_program 來將其如檔案般打開(會回傳 file_descriptor 供我們操作)。在 master 已持續監聽著 slave_device 時並準備好傳送檔案時，我們便能根據使用者給定的方法(fcntl or mmap)來做檔案的讀寫。最後計算檔案傳輸的速度（根據 master_device, slave_device 打開、關閉的時間）及檔案大小（根據 stat(char* filename, struct stat* st)) 來紀錄結果。
  • src/user_program/slave.c : 透過 sudo insmod *.ko 來安裝 slave_device 後，我們便能透過 slave 的 user_program 來將其如檔案般打開(會回傳 file_descriptor 供我們操作)。接著在slave_device 已連接到 master 的 ip 並準備好接收檔案時，我們便能根據使用者給定的方法(fcntl or mmap)來做檔案的讀寫。最後計算檔案傳輸的速度（根據 master_device, slave_device 打開、關閉的時間）及檔案大小（根據 stat(char* filename, struct stat* st)) 來紀錄結果。

執行的結果

  • 方法: fcntl, mmap

----- Master method fcntl, Slave method fcntl -----

  • File: file1_in
  • Command:
src/user_program/master data/file1_in fcntl
src/user_program/slave data/file1_in.out fcntl 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 1.463000 ms, File size: 32 bytes
    Slave:
    Transmission time: 2.419000 ms, File size: 32 bytes

  • File: file2_in

  • Command:

src/user_program/master data/file2_in fcntl
src/user_program/slave data/file2_in.out fcntl 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.732000 ms, File size: 4619 bytes
    Slave:
    Transmission time: 4.355000 ms, File size: 4619 bytes

  • File: file3_in

  • Command:

src/user_program/master data/file3_in fcntl
src/user_program/slave data/file3_in.out fcntl 127.0.0.1
  • Output:
    Master:
    Transmission time: 2.185000 ms, File size: 77566 bytes
    Slave:
    Transmission time: 3.036000 ms, File size: 77566 bytes

----- Master method fcntl, Slave method mmap -----

  • File: file1_in
  • Command:
src/user_program/master data/file1_in fcntl
src/user_program/slave data/file1_in.out mmap 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.052000 ms, File size: 32 bytes
    Slave: Transmission time: 0.965000 ms, File size: 32 bytes

  • File: file2_in

  • Command:

src/user_program/master data/file2_in fcntl
src/user_program/slave data/file2_in.out mmap 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.537000 ms, File size: 4619 bytes
    Slave:
    Transmission time: 7.026000 ms, File size: 4619 bytes

  • File: file3_in

  • Command:

src/user_program/master data/file3_in fcntl
src/user_program/slave data/file3_in.out mmap 127.0.0.1
  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.960000 ms, File size: 77566 bytes
    Slave:
    Transmission time: 10.642000 ms, File size: 77566 bytes

----- Master method (mmap), Slave method (fcntl) -----

  • File: file1_in
  • Command:
src/user_program/master data/file1_in mmap
src/user_program/slave data/file1_in.out fcntl 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.939000 ms, File size: 32 bytes
    Slave:
    Transmission time: 0.829000 ms, File size: 32 bytes

  • File: file2_in

  • Command:

src/user_program/master data/file2_in mmap
src/user_program/slave data/file2_in.out fcntl 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.188000 ms, File size: 4619 bytes
    Slave:
    Transmission time: 30.082000 ms, File size: 4619 bytes

  • File: file3_in

  • Command:

src/user_program/master data/file3_in mmap
src/user_program/slave data/file3_in.out fcntl 127.0.0.1
  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.214000 ms, File size: 77566 bytes
    Slave:
    Transmission time: 2.441000 ms, File size: 77566 bytes

----- Master method (mmap), Slave method (mmap) -----

  • File: file1_in
  • Command:
src/user_program/master data/file1_in mmap
src/user_program/slave data/file1_in.out mmap 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.059000 ms, File size: 32 bytes
    Slave:
    Transmission time: 1.138000 ms, File size: 32 bytes

  • File: file2_in

  • Command:

src/user_program/master data/file2_in mmap
src/user_program/slave data/file2_in.out mmap 127.0.0.1

  • Output:
    Master:
    Transmission time: 3.625000 ms, File size: 4619 bytes
    Slave:
    Transmission time: 5.180000 ms, File size: 4619 bytes

  • File: file3_in

  • Command:

src/user_program/master data/file3_in mmap
src/user_program/slave data/file3_in.out mmap 127.0.0.1
  • Output:
    Master:
    Transmission time: 0.182000 ms, File size: 77566 bytes
    Slave:
    Transmission time: 1.336000 ms, File size: 77566 bytes

file I/O v.s. memory-mapped I/O & 差異的原因

  • 當我們使用file I/O的時候，資料傳輸的路徑為：
        disk -> kernel space -> user space -> socket space (master)
             ->socket space -> user space -> kernel space -> disk (slave)

而使用mmap的話可以略過kernel space，則是

        disk -> user space -> socket space (master)
             ->socket space -> user space -> disk (slave)

故使用mmap可以改善transmission rate。

  • 示意圖：
  1. 就f3.in和f4.in的實驗結果來說，m/m不論在master端或是slave端，不論read或write的時間皆快過f/f。
  2. 而f1.in和f2.in的實驗結果中，當執行時間小於1ms的話，m/m並不一定會快過f/f。猜是因為執行mmap所需的準備時間較read/write長，所以file過小的時候使用mmap並沒有顯著的優勢。
  3. 另外，f4中的m/m較f/m及m/f慢，我們認為是使用socket時的變異比較大，而非m/f或f/m優於m/m的緣故。比如f1只有50byte，但其f/m的執行時間高達8602ms，遠比f3、f4的同格數據來的大。

結論：socket配上mmap可以很好地改善transmission rate。 (參考資料：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-zerocopy1/index.html)

各組員的貢獻

R05246009 應數所碩二 吳其豪

  1. 負責 src/master_device.c 及 src/master.c 的實作
  2. 負責實測並記錄四個 input 檔案的結果

R06723041 財金所碩一 鄭晏奇

  1. 負責 src/slave_device.c 及 src/slave.c 的實作
  2. 負責實測並記錄四個 input 檔案的結果

B03201003 數學系大四 林永濬

  1. 負責 src/master_device.c 及 src/master.c 的實作
  2. 負責研究 fcntl 和 mmap 兩 I/O 方法之差異

B03201013 數學系大四 郭子翔

  1. 負責 src/slave_device.c 及 src/slave.c 的實作
  2. 負責研究 fcntl 和 mmap 兩 I/O 方法之差異