适用于网络基础设备的多核处理器软件系统的设计和优化

摘要

苹果公司发动的终端设备革命使终端用户需要越来越高的网络带宽。为了减少网络拥塞，满足用户对带宽和安全的需求，运营商需要高性能，高带宽的网络设备。网络基础设备设计中，软件系统的设计和处理器的选择，通常对设备的性能起着重要的决定作用。目前，高性能的处理器大多是片上多核和片上众核处理器。各家通讯设备集成制造商，在选择高性能处理器的时候，采用的也都是片上多核或片上众核处理器。在软件系统结构的设计上，各家通讯设备集成制造商不尽相同。软件系统结构的设计中主要有两个重要的考虑方面，一是最大可能的发挥处理器的性能，二是减少软件复杂度使软件系统开发速度快并方便调试和维护。基于这两点出发，各家通讯设备集成制造商在操作系统的选择上都逐渐采用Linux操作系统。为满足网络设备对性能的要求，在Linux操作系统中开发应用程序时，需要一些优化方法来提高系统的性能。
　　片上多核处理器上开发应用的时候，通常会按照并行计算的原理，对应用做任务划分，通讯分析，任务部署和映射，得到一个较好的并行算法。完成并行算法的设计后，将任务部署到运行Linux的多核处理器上，按照Linux应用程序通常的开发模式，任务的执行效率不高。本论文所研究和实现的对软件系统的优化方法，是在这个过程完成之后，根据网络基础设备本身的特点，根据Broadcom公司的XLP处理器的特点以及Linux操作系统的特点所提出的优化方法。这些优化方法包括:1.采用硬件消息驱动的业务软件模型来代替中断驱动的业务软件模型，在用户态程序中直接访问网卡设备来获取数据并做任务绑定;2.使用大TLB映射整个应用程序;3.关闭调度中断。使用这些优化方法后，整个软件系统的性能有大幅度的提升。
　　在本论文里，用测试数据说明了这些优化方法对性能的提升效果。测试用例是模拟LTE协议栈里PDCP层将小包组成大包的过程。真实的LTE协议栈远远比本论文的模拟测试复杂的多，在实际的LTE协议栈的实施应用中，可以先根据并行算法设计的一般步骤来设计映射整个LTE协议栈到多核处理器上，再采用本论文里研究的优化方法来提高软件系统的性能和实时性。对其他网络设备来说，比如各种服务网关，基站控制器等也都可以采用同样的原理来设计软件系统。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 网络基础设备的特点

1．3 论文的研究内容和论文结构

1．3．1 论文的主要研究内容

1．3．2 论文基本结构

第二章 多核处理器上软件系统的设计

2．1 并行计算的目标

2．2 对称多处理共享存储并行机

2．3 并行算法的设计方法

2．3．1 并行算法的一般设计策略

2．3．2 并行算法的一般设计过程

2．4 本章小结

第三章 XLP系列多核处理器

3．1 处理器的核

3．2 快速消息网及SoC内部互联

3．3 内存通道

3．4 网络加速引擎

3．5 网络接口

3．6 XLP的软件开发套件

3．7 本章小结

第四章 网络设备中常见的软件系统结构

4．1 实时操作系统

4．2 vxworks，linux和netos的特点

4．3 网络基础设备中常见软件结构

4．3．1 多vxworks构成的AMP模式

4．3．2 单vxworks和多netos构成的AMP模式

4．3．3 单Linux和多netos构成的AMP模式

4．3．4 Linux的SMP模式

4．4 本章小结

第五章 Linux的SMP模式下软件系统的优化

5．1 基准测试环境

5．1．1 基准测试的硬件环境

5．1．2 基准测试的软件环境

5．2 Raw Socket方式从网口收发报文的性能测试

5．3 用户态直接从网口收发报文的性能测试

5．3．1 实现原理

5．3．2 测试结果及分析

5．4 其他的优化方法及其性能测试

5．4．1 关闭调度中断后收发报文的性能测试

5．4．2 采用大TLB映射整个应用程序

5．5 NetOS裸跑环境下的性能测试

5．6 优化后的性能和裸跑环境下性能的对比

5．7 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

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