图形处理器加速网络分组处理的研究

摘要

随着互联网的发展，越来越多的网络应用对作为互联网基础设施的路由器提出了更高的要求。一方面，路由器应能提供高速的分组转发功能;另一方面，路由器也应提供足够的可扩展性，使得ISP可以基于路由器提供新的服务。传统上，这些可扩展性和新的应用是通过设计新的硬件替换已有硬件，或者像NAT盒一样添加中间件(Middlebox)来完成的。虽然现有的硬件路由器也在提高其可扩展性和可编程性，但是由于其硬件环境是封闭的，硬件路由器提升可扩展性的难度较大。
　　作为另一类策略，基于普通硬件(PC)的软件路由器方案虽然易于扩展，但由于其性能受限，一般仅仅被应用于中低端路由器上。已有的提升软件路由器性能的策略主要分为两种，一种方案使用多台服务器搭建集群，从扩展性上提升路由器的性能;另一方案则基于众核处理器如GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）来提升单台机器的处理能力。本文主要研究方向为后一种策略，即使用GPU加速分组处理以提升软件路由器的性能。本文的主要内容包括以下三个方面:
　　(1)在GPU上进行分组查找的相关算法的研究
　　(2) GPU计算在操作系统内核中的支持
　　(3) GPU加速的软件路由器的原型系统的构建
　　本文的工作验证了通过GPU加速分组处理来提升软件路由器性能的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 课题背景及意义

1．2 论文主要内容

1．3 论文组织结构

第二章 相关背景

2．1 路由查找技术

2．2 GPU计算平台

2．3 软件路由器现状

第三章 在GPU上进行路由查找的算法

3．1 GPU的特性

3．2 算法设计

3．2．1 路由查找

3．2．2 路由添加与更新

3．2．3 路由表项的删除

3．2．4 小结

3．3 算法实现与性能调优

3．4 实验

3．4．1 IPv4

3．4．2 IPv6

3．4．3 带宽瓶颈分析

3．5 本章小结

第四章 GPU计算在操作系统内核中的支持

4．1 GPU计算平台技术细节

4．1．1 GPU体系结构

4．1．2 操作系统接口与GPU运行时库

4．2 GReplay的设计

4．2．1 设计思想

4．2．2 架构

4．2．3 GReplay API

4．2．4 多平台支持

4．2．5 局限性

4．3 实现细节与优化

4．3．1 装载器与链接器

4．3．2 寻址

4．4 实验

4．4．1 额外开销

4．4．2 性能测试

4．4．3 瓶颈分析

4．5 GReplay的可移植性

4．6 本章小结

第五章 设计、实现并测试GPU加速的软件路由器

5．1 系统软件架构

5．1．1 分组输入输出

5．1．2 GPU加速模块的设计与整合

5．2 实验

5．2．1 收发性能测试

5．2．2 最简路由表测试

5．2．2 实际路由环境下的测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

参与的科研项目

参与的系统开发项目

致谢