基于网络处理器的协议处理单元数据平面规则匹配和负载均衡模块的设计与实现

摘要

随着互联网带宽的不断拓宽，互联网上承载的业务数量和种类也不断增加，拉动着整个互联网产业的不断发展。随之而来的问题是如何快速有效地对各种业务用户进行鉴权、流量统计等工作。只有正确快速地区分不同用户，不同服务请求，正确地统计各个用户的数据流量，才能使得整个互联网产业得到健康、有序、稳定地增长。 然而，千兆高速网络的数据流量对网络监控系统的处理能力与计算强度提出了更高的要求。以往单一的网络设备无法完成大流量的信息分析任务。采用网络处理器进行协议处理，可以满足高速率网络协议分析的需要，成为目前发展的一个方向。因此，本文介绍了一种基于网络处理器(Network Processor)的协议处理单元(PPU)的应用环境，核心功能，体系结构和关键技术。 基于网络处理器的协议处理单元，以单板机做为高层协议分析处理器，利用先进电信运算架构的高性能，高集成度，在同一个机框中插入交换板，网络处理器板和服务器刀片，实现一个高容量的数据包过滤系统。完成用户对业务提供商SP(Service Provider)所提供业务的鉴权、认证，系统对用户的计费等管理工作。 本文介绍了作者在研究生期间所做的关于用网络处理器实现协议处理单元的研发工作。共分为两个部分：第一部分简要介绍网络处理器相关的理论知识；第二部分详细介绍本人在项目中参与完成的部分，其中重点介绍数据平面规则匹配和负载均衡模块的设计与实现。

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论文说明：英文缩略语索引

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第一章网络处理器概述

1.1 引言

1.2 网络处理器简介

1.3 IXP2400网络处理器

第二章协议处理单元的功能介绍

2.1 协议处理单元所属系统介绍

2.2 协议处理单元在系统中的定位

2.3 基于网络处理器的协议处理单元的功能

2.3.1 实现对四层协议的解析与规则匹配

2.3.2 实现对计费的四层协议连接过程的跟踪管理

2.3.3 实现对单板机的负荷分担处理

2.3.4 实现以太通讯必须的ARP协议功能

2.3.5 实现网络处理器设备的路由功能

2.3.6 同时支持IPv4和IPv6双协议栈

第三章基于网络处理器的协议单元的设计与实现

3.1 协议处理单元整体设计框架

3.1.1 控制平面功能模块

3.1.2 数据平面功能模块

3.2 数据平面整体设计

3.2.1 数据平面设计思路

3.2.2 数据平面处理流程

第四章数据平面规则匹配模块的设计与实现

4.1 规则匹配模块的功能

4.2 规则匹配模块的设计与实现

4.2.1 规则匹配模块的设计与实现

4.2.2 规则匹配模块的流程图

4.3 相关算法

4.3.1 相关哈希算法设计与估计

4.3.2 哈希算法实现

4.3.3 哈希算法数据结构

第五章数据平面负载均衡模块的设计与实现

5.1 负载均衡的概念

5.2 负载均衡模块的设计与实现

5.2.1 负载均衡模块的设计

5.2.2 负载均衡模块的实现

5.3 相关算法

5.3.1 令牌桶算法介绍

5.3.2 令牌桶算法实现

5.3.3 令牌桶算法数据结构

第六章测试方法及结果

6.1 仿真测试

6.1.1 测试工具

6.1.2 测试方法

6.2 规则匹配模块测试及结果

6.2.1 没有匹配到规则情况的测试

6.2.2 在哈希区匹配到规则情况的测试

6.2.3 在哈希冲突区匹配到规则的情况

6.3 负载均衡模块的测试与结果

6.3.1 负载均衡功能的测试

6.4 测试中出现的问题及体会

结束语

参考文献

致谢

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