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基于众核的可编程虚拟化路由器数据平面设计与实现

作　者: 罗章琪
导　师: 张大方
学　校: 湖南大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 众核数据包处理任务划分核分配资源优化可编程虚拟路由器
分类号: TP393.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
引　用: 0次
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内容摘要

现有互联网在扩展性、安全性、高性能等方面的不足，激发人们对下一代互联网的研究热情，而下一代互联网与现有网络在体系结构上互不兼容，因此需要一个同时支持多个不同网络的创新实验床。可编程虚拟化路由器不仅解决了多个网络共存的问题，还具备未来网络创新研究所需的动态可扩展、灵活可编程、高性能等特性。路由器作为网络的核心设备，它的转发性能是至关重要的。现代的高端路由器一般都采用控制平面与数据平面相分离的结构，数据转发平面大多采用网络众核处理器，它不仅拥有众多的核心能完全并行的对数据包进行处理，而且还具有针对网络数据包处理进行特殊优化的协处理器，加快了数据包的处理速度。现有任务划分方式不适合路由器这种功能单一的系统，而且现有的核资源分配方法也存在资源利用率低的情况，上述问题导致路由器的整体性能有待提升。针对上述问题，文章的主要研究内容包括以下两方面：第一，文章通过任务划分的方式提高了数据包处理的灵活性。合理的任务划分能有效的提高数据包处理的灵活性和并行性能，文章将数据包处理过程划分成了3个主要模块（解析、查找、转发）和2个辅助模块（上传、控制），然后分配一定数量的众核处理器核资源给各模块并行执行，这样既加快了数据包的并行处理速度，也提高了可编程虚拟化路由器的灵活性。用户通过远程协议的方式方便的插入其他模块，如防火墙，入侵检测等。第二，提出了一种众核处理器核资源优化方法。针对现有的均衡分配方法EQUI的不足，提出了一种基于网络流量数学期望的众核处理器核资源优化方法。该方法的实现可分为3个步骤：首先，网络中的数据包分为控制层面和数据平面，两个平面的处理过程不同，导致各子模块的执行次数不同，在一个相对稳定的网络中，可以通过网络测量等方法统计出各种类型包的概率，进一步可得到各个模块间的调度概率及执行次数。其次，各模块完成一个任务所需要的CPU周期数可以通过在程序中插入计数器来统计，再根据前面得到的总执行次数，可计算出各模块所需要的CPU周期总数。最后，根据各模块所需要的总CPU资源的比例，分配同比例的众核处理器核数量，经过实验测试后发现性能比已有的均衡分配方法EQUI提高了20%以上。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
插图索引  10-11
附表索引  11-12
第1章绪论  12-18
  1.1 研究背景与意义  12-14
    1.1.1 为未来互联网研究提供实验基础  12-13
    1.1.2 提高数据转发性能  13-14
  1.2 国内外研究综述  14-16
  1.3 本文的主要工作  16-17
  1.4 章节组织结构  17-18
第2章可编程虚拟化路由器概述  18-25
  2.1 设计目标及面临的问题  18-20
  2.2 系统架构概述  20-23
    2.2.1 控制平面简介  20-22
    2.2.2 数据平面简介  22-23
    2.2.3 数据平面与控制平面的通信  23
  2.3 小结  23-25
第3章数据平面任务划分  25-32
  3.1 数据平面处理流程  25-28
    3.1.1 解析引擎  25-26
    3.1.2 查找引擎  26-27
    3.1.3 转发引擎  27-28
  3.2 任务划分  28-31
  3.3 小结  31-32
第4章众核处理器核资源分配方法  32-41
  4.1 众核网络处理器特点与应用  32-33
  4.2 相关研究工作  33-35
  4.3 最佳分配方法设计与实现  35-39
    4.3.1 理论依据  35-36
    4.3.2 变量说明  36-38
    4.3.3 实现方法  38-39
    4.3.4 最佳分配与 EQUI 分配对比分析  39
  4.4 小结  39-41
第5章实验测试及结果分析  41-50
  5.1 实验环境  41-43
    5.1.1 处理板  41-42
    5.1.2 主控板  42
    5.1.3 交换板  42
    5.1.4 网络测试仪  42-43
  5.2 参数选择  43-45
  5.3 各模块性能分析  45-48
    5.3.1 Parse 模块性能分析  45-46
    5.3.2 Lookup 模块性能分析  46-47
    5.3.3 Forward 模块性能分析  47-48
  5.4 最佳分配与均衡分配对比  48-49
  5.5 小结  49-50
结论  50-53
参考文献  53-58
致谢  58-59
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文列表  59-60
附录 B 攻读学位期间参与的项目列表  60

基于众核的可编程虚拟化路由器数据平面设计与实现

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