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基于网络处理器的网络编码实现及优化

作　者: 曹朋
导　师: 过敏意
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 网络编码 NFP3240网络处理器 多核 多线程
分类号: TP393.09
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 71次
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内容摘要


随着网络技术的飞速发展,基于网络平台的应用和服务越来越普遍,电子信箱、搜索引擎、电子商务等使得人类的生活方式发生了巨大的改变,网络为人们提供了一种快捷、便利的交流手段,将整个世界紧密的联系在一起。同时,网络应用的增加,使得数据传输量成倍的增加,网络路由设备的传输任务也日益增加,网络设备的更新很难满足日益增长的数据传输量的要求。在这种情况下,网络编码技术应运而生。网络编码技术打破了传统网络中节点简单的接收、存储、转发模式,允许节点对数据做编码处理,并通过网络多播技术传输到目的节点,目的节点接收到编码后的数据,经过译码处理后可以得到原始数据。经证明,网络编码可以使多播传输实现理论上的最大传输容量,从而提高网络带宽的利用率和吞吐量。网络编码技术的研究,有着很大的现实意义,并成为近年的热点。网络处理器是用于网络传输的专用处理器,具有功耗低、处理速度快、并行度高的优点。Intel的IXP系列网络处理器具有多核多线程的架构,其中IXP2850网络处理器具有16个微引擎,每个微引擎有8个硬件线程,可以达到10 Gbps的传输速度。Netronome公司在IXP2850处理器的基础上推出了新一代网络处理器NFP3240,将微引擎升级到40个,并扩展了网络接口,使得NFP3240可以达到40Gbps的传输速度。本文将网络编码技术实现在NFP3240网络处理器上,并做了大量优化工作。本文针对编码过程的特点和NFP3240网络处理器的硬件特性,设计并实现了基于行划分的编码算法,观察到访存操作对网络处理器编码性能的影响后,本文提出了基于cluster local scratchpad的数据预取算法,并获得了超过28MB/s的吞吐量。本文还充分利用了网络处理器流水线处理的特点,利用微引擎之间的寄存器通道传递数据,实现了行优先的流水线编码算法和列优先的流水线编码算法,两种算法分别达到了21.65MB/s和33.88MB/s的最大吞吐量。本文的主要贡献在于将网络编码技术在网络处理器上实现和优化,并根据网络处理器的流水线特性,提出了几种编码算法。从实验结果得出结论,列优先的流水线编码算法,充分利用了网络处理器的流水线通道,将访存操作降低到最少,是最适合在网络处理器上应用的编码算法。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章背景  12-16
  1.1 网络编码的提出  12-13
  1.2 网络编码的优点  13-14
  1.3 网络编码算法的研究现状  14-15
  1.4 本章小结  15-16
第二章网络处理器体系结构介绍  16-24
  2.1 IXP28XX 简介  17-20
    2.1.1 XScale 协处理器  17-18
    2.1.2 微引擎  18-19
    2.1.3 特殊功能单元  19-20
  2.2 NFP32XX  20-23
    2.2.1 通用CPU  20-21
    2.2.2 微引擎  21
    2.2.3 特殊功能单元  21-23
  2.3 国内外相关工作  23
    2.3.1 线程管理方面  23
    2.3.2 通用计算方面  23
    2.3.3 传统应用  23
  2.4 本章小结  23-24
第三章线性随机网络编码数学模型  24-29
  3.1 编码过程  24-26
  3.2 译码过程  26
  3.3 抽象数学模型  26-28
  3.4 本章小结  28-29
第四章基于NFP3240 网络处理器的编码算法实现及优化  29-47
  4.1 编码计算的两个前提  29
  4.2 基于行划分的编码算法  29-32
  4.3 基于行划分的优化算法  32-33
  4.4 基于CLS 的数据预取算法  33-35
  4.5 基于CLS 的预取优化算法  35-37
  4.6 线性随机网络编码  37-39
  4.7 基于行划分的系数生成算法  39-40
  4.8 基于流水线的线性随机网络编码  40-44
    4.8.1 行优先的流水线编码算法  41-42
    4.8.2 列优先的流水线编码算法  42-44
  4.9 基于高斯消去的译码算法  44-46
  4.10 本章小结  46-47
第五章实验结果与分析  47-55
  5.1 实验环境介绍  47-49
  5.2 实验结果及数据分析  49-54
    5.2.1 基于行划分的编码  49-50
    5.2.2 基于Cluster local Scratchpad 的数据预取  50-52
    5.2.3 基于行划分的系数生成算法  52
    5.2.4 行、列优先的流水线编码  52-53
    5.2.5 基于高斯消去的译码算法  53-54
  5.3 本章小结  54-55
第六章总结与展望  55-56
  6.1 总结  55
  6.2 展望  55-56
参考文献  56-58
致谢  58-59
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  59

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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 > 计算机网络应用程序
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