用户态IPSec协议栈的研究与实现

摘要

智能手机的普及带来了移动互联网的浪潮，用户数量与网络流量急剧增长。为了提供更好的服务，互联网公司都在积极建设数据中心(IDC)。分布于各地IDC的数据传输通常使用专线，但专线费用高昂，因此 IDC的公网数据传输逐渐得到发展。为保证安全，IDC通常通过IPSec VPN的方式在Internet上传输数据。IPSec VPN解决方案基于传统协议栈。在高速网络环境下，传统协议栈系统性能已经到达一个瓶颈，用户态协议栈成为热门研究课题，Intel DPDK是一款优秀的用户态协议栈开发平台。
　　本文针对传统协议栈在数据处理过程中面临的中断频繁、数据冗余拷贝、不支持多核框架、锁竞争开销大等问题，详细介绍了DPDK中解决这些问题的关键技术：大内存页、用户空间I/O与处理器亲和性。然后设计了基于DPDK的用户态协议栈框架，并详细介绍了其中的四个主要模块。底层驱动模块负责对多核与分布式存储提供支持。数据收发模块负责快速的收发数据、存储数据包与减小多核竞争开销。三层转发协议栈模块提供路由转发以及用户态协议栈与传统协议栈的通信。IPSec处理模块提供数据包的认证与加解密。基于各个模块的详细设计，本文实现了一个基于 DPDK的用户态IPSec协议栈。通过在高速网络环境下与传统协议栈的IPSec进行测试对比，可以得到结论，用户态IPSec协议栈具有更高的性能，能够解决传统协议栈的问题。

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2课题研究的意义

1.3国内外研究现状

1.4论文主要工作

1.5论文章节安排

第二章协议栈加速与DPDK简介

2.1协议栈的基本概念

2.2并行计算相关研究

2.3 DPDK

2.4传统VPN实现方案

2.5本章小结

第三章 用户态IPSec协议栈设计方案

3.1框架设计

3.2底层驱动模块

3.3数据收发模块

3.4三层转发协议栈

3.5 IPSec处理模块

3.6本章小结

第四章 用户态IPSec协议栈的实现

4.1底层驱动模块

4.2数据收发模块

4.3三层转发协议栈模块

4.4 IPSec处理模块

4.5本章小结

第五章 性能测试与分析

5.1 DPDK环境的安装与配置

5.2内核IPSec的构建

5.3测试结果对比

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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