基于众核的可编程虚拟化路由器数据平面设计与实现

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。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 为未来互联网研究提供实验基础

1．1．2 提高数据转发性能

1．2 国内外研究综述

1．3 本文的主要工作

1．4 章节组织结构

第2章 可编程虚拟化路由器概述

2．1 设计目标及面临的问题

2．2 系统架构概述

2．2．1 控制平面简介

2．2．2 数据平面简介

2．2．3 数据平面与控制平面的通信

2．3 小结

第3章 数据平面任务划分

3．1 数据平面处理流程

3．1．1 解析引擎

3．1．2 查找引擎

3．1．3 转发引擎

3．2 任务划分

3．3 小结

第4章 众核处理器核资源分配方法

4．1 众核网络处理器特点与应用

4．2 相关研究工作

4．3 最佳分配方法设计与实现

4．3．1 理论依据

4．3．2 变量说明

4．3．3 实现方法

4．3．4 最佳分配与EQUI分配对比分析

4．4 小结

第5章 实验测试及结果分析

5．1 实验环境

5．1．1 处理板

5．1．2 主控板

5．1．3 交换板

5．1．4 网络测试仪

5．2 参数选择

5．3 各模块性能分析

5．3．1 Parse模块性能分析

5．3．2 Lookup模块性能分析

5．3．3 Forward模块性能分析

5．4 最佳分配与均衡分配对比

5．5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文列表

附录B 攻读学位期间参与的项目列表