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CIA网卡中支持零拷贝的高效软硬件交互机制的研究与实现

作　者: 吕民强
导　师: 吴纯青
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: DMA引擎描述符中断零拷贝
分类号: TP393.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在网络规模日益庞大的今天,报文捕获和分析技术正得到广泛的应用。通过对捕获的数据包进行分析,可以实时了解网络的使用状况,分析网络运行的瓶颈,发现网络数据包中携带的非法内容。传统的报文捕获系统基于通用性考虑,会花费大量的资源用于中断开销、内存拷贝开销、系统调用开销和协议处理开销。为提高捕获报文的性能,目前报文捕获系统广泛采用零拷贝技术。采用零拷贝技术的报文捕获系统实现了零系统调用、零内存拷贝,同时避开了复杂的内核协议处理,大大提高了报文捕获系统的性能。但是,零拷贝报文捕获系统没有考虑减少中断开销。因此,减少中断开销,进一步提高零拷贝报文捕获系统的性能是本文研究的目的。中断开销涉及到网络适配器和主机内存数据交换的方式和Linux系统对网络适配器的中断处理过程。本文的主要工作和创新点包括:1.分析了高速网络适配器与主机内存数据交换的方式,即采用DMA的链式传输和命令队列传输相结合的方式,这种方式需要在主机内存和网络适配器的硬件存储空间设置描述符缓冲区;2.分析了网络适配器获取描述符的方式,即基于驱动的方式和基于DMA引擎的方式;3.建立了主机内存和网络适配器硬件描述符缓冲区模型,量化分析了影响缓冲区大小的各个参数的关系,对CIA网卡项目的设计提供理论指导;4.分析了Linux系统对网络适配器中断的处理过程,分析了中断驱动和轮询驱动机制的优缺点,提出采用半轮询驱动机制,来减少中断开销。同时,在网络适配器硬件采用中断合并技术,减少中断次数。5.为减少Linux系统对网络适配器的中断处理时间,提出采用缓冲区池技术,在用户空间预先分配一定大小的数据缓冲区,避免了每次中断处理都需要向系统申请缓冲区,同时也避免了报文从内核空间到用户空间的一次不必要的拷贝过程,实现了所谓的零拷贝技术。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-19
  §1.1 课题背景  13-15
    1.1.1 报文捕获技术在网络安全领域的应用  13-14
    1.1.2 零拷贝报文捕获系统  14
    1.1.3 支持零拷贝的高效软硬件交互机制  14-15
  §1.2 网卡与主机软硬件交互机制的相关研究  15-16
    1.2.1 网卡与主机数据交换方式  15-16
    1.2.2 Linux系统对网卡中断处理的优化  16
  §1.3 项目背景和研究内容  16-17
  §1.4 论文的组织  17
  §1.5 课题的研究成果  17-19
第二章高速网卡与主机通信的技术  19-34
  §2.1 网卡的整体结构  19-20
  §2.2 高速网卡与主机的数据交换机制  20-23
    2.2.1 DMA的链式传输方式  20-21
    2.2.2 DMA的命令队列传输方式  21-22
    2.2.3 基于描述符的DMA通信机制  22-23
  §2.3 网卡硬件描述符的获取方式  23-25
    2.3.1 基于主机的描述符获取方式  23-24
    2.3.2 基于DMA引擎的描述符获取方式  24-25
  §2.4 Linux对高速网卡中断的处理  25-29
    2.4.1 Linux对网卡中断的处理过程  25-26
    2.4.2 NAPI技术  26-28
    2.4.3 NAPI在SMP上的性能分析  28-29
  §2.5 数据报文的收发过程  29-31
  §2.6 提高网卡和主机交互性能的技术  31-33
    2.6.1 提高总线的带宽  31
    2.6.2 减少中断开销  31-32
    2.6.3 减少上下文切换开销  32-33
  §2.7 本章总结  33-34
第三章支持零拷贝的软硬件交互模型(CIA-SHIM)  34-44
  §3.1 CIA-SHIM整体结构  34-36
    3.1.1 CIA-SHIM中的零拷贝技术  34-35
    3.1.2 CIA-SHIM工作过程  35-36
  §3.2 CIA-SHIM模型  36-42
    3.2.1 CIA-SHIM时间模型  36-38
    3.2.2 CIA-SHIM描述符缓冲区模型  38-40
    3.2.3 CIA-SHIM模型结论  40-42
  §3.3 CIA-SHIM对CIA设计的指导  42-43
  §3.4 本章总结  43-44
第四章支持零拷贝的高效软硬件交互机制的设计与实现  44-65
  §4.1 CIA的整体结构  44-46
    4.1.1 系统的工作过程  44-45
    4.1.2 软硬件交互机制设计目标  45-46
  §4.2 CIA DMA引擎  46-48
    4.2.1 DMA引擎结构  46
    4.2.2 DMA引擎设计的关键技术  46-47
    4.2.3 接口定义  47-48
  §4.3 CIA缓冲区管理  48-51
    4.3.1 缓冲区管理结构  48
    4.3.2 缓冲区设计的关键技术  48-50
    4.3.3 提供的接口  50-51
  §4.4 CIA驱动  51-54
    4.4.1 驱动的整体结构  51-52
    4.4.2 驱动设计的关键技术  52-53
    4.4.3 驱动提供的接口  53-54
  §4.5 软硬件交互的关键数据结构  54-58
    4.5.1 硬件关键寄存器定义  54-55
    4.5.2 软件关键数据结构  55-58
  §4.6 软硬件交换的关键流程  58-64
  §4.7 本章总结  64-65
第五章 CIA高效软硬交互机制的性能测试与分析  65-70
  §5.1 测试环境及工具  65
  §5.2 测试内容  65-66
  §5.3 测试方法  66
  §5.4 测试结果及结论  66-69
    5.4.1 测试结果  66-68
    5.4.2 测试结论  68-69
  §5.5 本章总结  69-70
第六章总结  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-74
作者在学期间取得的学术成果  74

CIA网卡中支持零拷贝的高效软硬件交互机制的研究与实现

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