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基于多核平台的高速网络数据捕获和并行处理研究与实现

作 者: 高晓东
导 师: 王轩
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 计算机科学与技术
关键词: 多核多线程编程 并行协议栈 并行数据分发 零拷贝 数据包捕获
分类号: TP393.08
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 81次
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内容摘要


IT业界的发展日新月异。在计算机软硬件方面,CPU架构多核化和编程模式并行化的趋势越来越明显。随着带宽的日益增加,网络数据量爆炸式增长。物联网热的兴起更是加剧了对网络数据快速处理的需求。多核已经成为桌面处理器的主流,软件系统如何有效利用其架构优势成为研究热点。本文紧跟发展潮流,提出了一种在多核多线程平台下,对网络数据捕获和数据处理两部分进行并行化的方法。本课题可应用于多核平台下网络监控的相关系统。课题属于网络内容安全领域。本文对该领域发展前沿做简单介绍之后,针对数据捕获和并行处理两部分,简要分析了技术背景和现有解决方案的优缺点。接下来,文章详细阐述了作者对这两部分的改进。首先分析了网络数据报文捕获技术的特点和要求,以及现有的实现方式;通过对网卡硬件收发数据包过程的研究,得出影响接收数据包性能的主要因素之后,设计出了改进型零拷贝网络数据包捕获平台。该平台通过DMA方式,网卡接收到的数据包被直接发送到用户空间的接收缓冲区中,有效地减少数据拷贝、系统调用的次数和CPU的处理时间,提高捕获性能。接着,本文全新设计了网络数据并行处理方式。该设计遵循并行开发模式,充分利用了多核多线程硬件架构的优势。在分析了TCP/IP协议栈的工作原理的基础上,本文总结了串行协议栈数据处理方式的瓶颈;针对串行协议栈不能充分发挥逐渐普及的多核优势问题,对协议栈进行并行处理,在新平台上提高系统的硬件利用率和整体性能。最后,本文对整体设计方案进行了说明,并对数据分发器和上下层接口的设计进行了阐述。在分析现有相似设计方案缺点的基础上,全新设计了适用于并行协议栈数据处理的分发器。对系统进行的实验测试表明,改进型零拷贝、数据分发器和协议栈并行处理的耦合有效地提高了系统的整体性能,尤其在多核处理器平台下具有良好的效果。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景、目的及意义  9-10
  1.2 课题研究对象的发展现状  10-12
  1.3 本文内容和结构  12-13
第2章 高速网络环境下的数据包捕获  13-30
  2.1 数据包捕获的特点  13-14
  2.2 Linux 和Windows 下的数据包捕获技术  14-18
    2.2.1 Unix/Linux 下的数据包捕获  14-17
    2.2.2 Windows 下的数据包捕获  17-18
  2.3 捕包性能影响因素分析  18-20
    2.3.1 硬件中断和系统调用  19
    2.3.2 内存拷贝和检验和计算  19
    2.3.3 捕包性能提高的途径  19-20
  2.4 零拷贝数据包捕获设计思想  20-22
    2.4.1 零拷贝捕包原理  20-21
    2.4.2 零拷贝网络捕包关键技术  21-22
    2.4.3 零拷贝技术的研究现状  22
  2.5 高速网络数据包的捕获设计方案  22-29
    2.5.1 数据包捕获模块零拷贝结构设计  22-23
    2.5.2 内存映射和地址映射  23-27
    2.5.3 同步控制  27
    2.5.4 网卡驱动程序修改  27-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章 多核多线程下的并行协议栈  30-50
  3.1 并行硬件体系结构  30-35
    3.1.1 处理器结构  31-33
    3.1.2 多核与超线程的联系与区别  33-34
    3.1.3 多核与单核平台上的多线程  34-35
  3.2 并行程序设计  35-40
    3.2.1 并行化处理步骤  35-36
    3.2.2 多线程设计模式  36-37
    3.2.3 多核多线程设计程序语言  37-40
  3.3 协议栈并行处理设计思想  40-43
    3.3.1 TCP/IP 协议栈  40-42
    3.3.2 协议栈的并行处理方法  42-43
  3.4 并行协议栈的具体设计方案  43-49
    3.4.1 问题划分  44-45
    3.4.2 任务分配到多核多线程  45-46
    3.4.3 协调各线程之间的互斥通信  46-47
    3.4.4 将线程映射到各个处理器  47-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章 系统设计与实现  50-62
  4.1 系统架构方案  50-53
    4.1.1 相似系统最新设计方案  50-52
    4.1.2 系统架构设计  52-53
  4.2 网络数据包的分发  53-55
  4.3 上下层之间的接口  55-56
  4.4 系统实验与分析  56-61
    4.4.1 实验软硬件环境  56-57
    4.4.2 实验结果分析  57-61
  4.5 系统未来研究方向  61
  4.6 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间发表的论文  66-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 计算机网络 > 一般性问题 > 计算机网络安全
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