针对40/100G高速以太网多核处理器架构的研究与改进

摘要

当前40 Gbit/s传输技术已经进入了“普及应用阶段”的快速健康发展期，而100 Gbit/s高速网络相关标准正逐步成熟，预计在未来3-4年内将会得到快速发展。同时近期市场调查报告显示高性能服务器市场并未如之前预期一样受到席卷全球金融危机的剧烈冲击，相反各主要服务器厂商整体呈现增长态势，市场对高性能服务器的需求依然强劲。因此市场亟需高性能服务器具备40 Gbit/s甚至100 Gbit/s的网络数据处理能力。处理器作为服务器处理能力的关键部件，其网络数据处理能力很大程度上直接决定了整个系统的网络数据处理能力。大量的实验证明单核处理器不能在较大网络负载情况下高效处理TCP/IP协议栈，而多核处理器因其潜在并行计算能力逐渐成为当前公认的处理器发展趋势，因此利用多核处理器的并行计算能力成为提升网络数据处理能力的一个重要现实考量。但当前多核处理器架构的网络数据处理能力远不能满足40/100 Gbit/s高速以太网的性能需求。如何提高多核处理器的网络数据处理能力成为近期多核处理器研究人员关注的热点问题。
　　 本文首先介绍了当前多核处理器在提升其网络数据处理能力方面的现状和前沿发展趋势，之后重点介绍了Intel的EDS执行驱动仿真系统平台及其关键技术，然后在EDS执行驱动仿真系统平台上设计实现了一个复杂的多核处理器模型，通过对实验数据的量化分析，分析了当前多核处理器在处理网络数据包时面临的主要瓶颈问题，详细阐述了针对40/100 Gbit/s高速以太网多核处理器架构优化方案的设计与实现，主要包括多核处理器硬件架构、操作系统设备驱动角度和网络数据处理流程三个方面的优化措施。为了验证优化方案为多核处理器架构带来的性能提升，本文也详细描述了对改进前后模型的对比测试方法和测试用例，最后通过数据采集和量化分析，可以看出改进后单核处理器的处理能力约为改进前的两倍，改进后多核处理器性能不再受限于多核间的竞争约束，其性能随处理核心的增加呈近似线性增长，改进后八核处理器网络数据处理能力约为改进前八核处理器的六倍。

目录

文摘

英文文摘

第一章 高性能服务器现状的研究

1.1 研究背景

1.1.140 Gbit/s高速网络时代来临

1.1.2100 Gbit/s网络标准逐渐成熟

1.1.3 市场对高性能服务器的需求依旧强劲

2.1 高性能服务器架构的研究

1.2.1 传统计算机架构系统概述

1.2.2 传统网络数据处理流程概述

1.2.3 传统解决方案面临的主要瓶颈

1.3 多核处理器的发展趋势和前沿研究

1.4 本章小结

第二章 网络环境仿真平台的研究

2.1 EDS执行驱动仿真系统平台

2.1.1 EDS执行驱动仿真系统平台概述

2.1.2 ASIM与SSDV接口模块

2.1.3 网卡模块及其同步机制

2.2 ASIM仿真平台

2.2.1 ASIM系统概述

2.2.2 ASIM系统的基本建模思想

2.2.3 ASIM功能模型

2.2.4 ASIM模块配置管理机制

2.2.5 HASIM系统概述

2.3 SSDV仿真平台

2.4 本章小结

第三章 多核处理器架构的改进

3.1 理想状态下处理网络数据的性能指标

3.1.1 传统数据包处理流程中主要瓶颈问题

3.1.2 理想的网络处理数据性能指标

3.2 处理器架构的改进

3.2.1 传统处理器架构概述

3.2.1 传统处理器核心概述

3.2.3 多核处理器架构的改进

3.2.4 网卡NIC模块

3.2.5 网卡接口NIC Interface模块

3.3 操作系统底层软件的改进

3.3.1 原有系统底层软件中重要组件

3.3.2 底层软件的改进

3.4 数据包发送流程的改进

3.4.1 传统数据包发送流程

3.4.2 数据包发送流程的改进

3.5 本章小结

第四章 改进后多核处理器性能的测试实验与分析

4.1 仿真环境介绍

4.2 重要统计概念

4.2.1 仿真时钟概念

4.2.2 数据包发送速率：Gbit/s

4.3 对照实验数据

4.3.1 针对不同数据包大小的实验

4.3.2 单核处理器对比实验

4.3.3 多核处理器对比实验

4.4 实验分析

4.4.1 单核处理器实验数据分析

4.4.2 多核处理器实验数据分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

研究生期间发表论文