面向多核網(wǎng)絡(luò)處理器軟件框架的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、多核網(wǎng)絡(luò)處理器是指在單個(gè)封裝內(nèi)集成多個(gè)執(zhí)行核，每個(gè)執(zhí)行核是獨(dú)立的處理器，具有自己的體系結(jié)構(gòu)資源。它兼有高速處理和靈活編程兩種能力，能很好地適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)演化的需要。 多核網(wǎng)絡(luò)處理器可以高速處理控制/數(shù)據(jù)平面、處理應(yīng)用感知內(nèi)容、檢測(cè)深度包、模式匹配和加密加速，被廣泛的應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器、交換機(jī)、應(yīng)用認(rèn)知網(wǎng)關(guān)、無線局域網(wǎng)、3G接入和聚合設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備等。在這些環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化為一個(gè)承載數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻內(nèi)容的多元

2、混合體，不僅要具備應(yīng)用傳輸所需的線速處理高層數(shù)據(jù)的能力，還要進(jìn)行加密、認(rèn)證、入侵防護(hù)和防病毒等多層安全操作以及多功能的整合。因此，面向多核網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件框架的高性能和通用性成為多核網(wǎng)絡(luò)處理器的核心問題。 多核網(wǎng)絡(luò)處理器軟件開發(fā)的困難主要來自于其微并行結(jié)構(gòu)之復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)多平面處理環(huán)境之特殊性，突出表現(xiàn)為：缺乏高層編程模型和開發(fā)工具，缺乏網(wǎng)絡(luò)通信處理算法組件庫(kù)，缺乏適應(yīng)多平面處理環(huán)境的OS支持。因此，基于多核網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件框架的

3、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都變得極為復(fù)雜。近年來，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，但基于多核網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)，提供高性能、面向高層應(yīng)用的研究尚處于初期階段。 本文在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，深入研究并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多核網(wǎng)絡(luò)處理器的多平面分層軟件框架、內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模塊框架、管理平面框架等關(guān)鍵技術(shù)；分析和實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中若干關(guān)鍵安全應(yīng)用的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了充分的測(cè)試以驗(yàn)證其達(dá)到了高性能、通用性的設(shè)計(jì)目標(biāo)；提出了一種從硬件抽象層到應(yīng)用管理的完整軟件框架。本

4、文就以下幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究工作： (1) 提出并設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的多平面軟件框架。 多平面框架面向多核網(wǎng)絡(luò)處理器，實(shí)現(xiàn)了三平面的融合，即數(shù)據(jù)平面、控制平面共同完成復(fù)雜高層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)過程；在管理平面內(nèi)，通過統(tǒng)一管理系統(tǒng)，針對(duì)多核網(wǎng)絡(luò)處理器主要的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行多業(yè)務(wù)的管理融合。 (2) 研究并實(shí)現(xiàn)了面向數(shù)據(jù)平面和控制平面的接口設(shè)計(jì)框架。 最新的Linux內(nèi)核并沒有對(duì)快速路徑和慢速路徑進(jìn)行明確的區(qū)分，

5、本文明確提出了兩種路徑的劃分，通過一系列的接口設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)多核網(wǎng)絡(luò)處理器性能發(fā)揮和內(nèi)核功能實(shí)現(xiàn)之間的平衡，屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可復(fù)用能力與跨平臺(tái)可移植能力。 (3) 研究并設(shè)計(jì)了算法組件庫(kù)。 在多核網(wǎng)絡(luò)處理器的快速路徑中應(yīng)用基于均勻服務(wù)隊(duì)列的分組調(diào)度算法，使決策時(shí)間復(fù)雜性、公平性、調(diào)度時(shí)延特性均與數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)無關(guān)，具有良好的可擴(kuò)展性；應(yīng)用遺傳式自動(dòng)分配算法，在網(wǎng)絡(luò)處理器上建立流水編程任務(wù)分配模型。 (4)

6、設(shè)計(jì)了內(nèi)核虛擬網(wǎng)絡(luò)塊框架，在管理平面實(shí)現(xiàn)了配置的模塊化。 將面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法引入內(nèi)核設(shè)計(jì)中，采用“低層處理”的策略，將所有的網(wǎng)絡(luò)操作處理模塊化，盡可能在最低層把非法的數(shù)據(jù)包屏蔽掉，在最低層對(duì)內(nèi)存進(jìn)行釋放，使整個(gè)核心數(shù)據(jù)處理流程全部工作在內(nèi)核一級(jí)，把相對(duì)耗費(fèi)時(shí)間的匹配過程交給了用戶進(jìn)程去處理。同時(shí)，在管理平面內(nèi)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)方法，利用事件機(jī)制，對(duì)不同的高層應(yīng)用提供配置、管理功能。 在多核網(wǎng)絡(luò)處理器軟件框架研究和