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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
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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。
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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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