面向多核網(wǎng)絡處理器軟件框架的研究與實現(xiàn).pdf

1、多核網(wǎng)絡處理器是指在單個封裝內集成多個執(zhí)行核，每個執(zhí)行核是獨立的處理器，具有自己的體系結構資源。它兼有高速處理和靈活編程兩種能力，能很好地適應高速網(wǎng)絡和業(yè)務演化的需要。 多核網(wǎng)絡處理器可以高速處理控制/數(shù)據(jù)平面、處理應用感知內容、檢測深度包、模式匹配和加密加速，被廣泛的應用于各種網(wǎng)絡設備，包括路由器、交換機、應用認知網(wǎng)關、無線局域網(wǎng)、3G接入和聚合設備以及網(wǎng)絡存儲設備等。在這些環(huán)境中，網(wǎng)絡進化為一個承載數(shù)據(jù)、語音和視頻內容的多元

2、混合體，不僅要具備應用傳輸所需的線速處理高層數(shù)據(jù)的能力，還要進行加密、認證、入侵防護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)絡處理器的軟件框架的高性能和通用性成為多核網(wǎng)絡處理器的核心問題。 多核網(wǎng)絡處理器軟件開發(fā)的困難主要來自于其微并行結構之復雜性和網(wǎng)絡多平面處理環(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)絡通信處理算法組件庫，缺乏適應多平面處理環(huán)境的OS支持。因此，基于多核網(wǎng)絡處理器的軟件框架的

3、設計與實現(xiàn)都變得極為復雜。近年來，雖然國內外學者做了大量的研究工作，但基于多核網(wǎng)絡處理器架構，提供高性能、面向高層應用的研究尚處于初期階段。 本文在總結前人研究工作的基礎上，深入研究并設計實現(xiàn)了多核網(wǎng)絡處理器的多平面分層軟件框架、內核網(wǎng)絡協(xié)議棧模塊框架、管理平面框架等關鍵技術；分析和實現(xiàn)了IP網(wǎng)絡中若干關鍵安全應用的設計，并進行了充分的測試以驗證其達到了高性能、通用性的設計目標；提出了一種從硬件抽象層到應用管理的完整軟件框架。本

4、文就以下幾個方面進行了創(chuàng)新性的研究工作： (1) 提出并設計了可擴展的多平面軟件框架。 多平面框架面向多核網(wǎng)絡處理器，實現(xiàn)了三平面的融合，即數(shù)據(jù)平面、控制平面共同完成復雜高層網(wǎng)絡應用功能的實現(xiàn)過程；在管理平面內，通過統(tǒng)一管理系統(tǒng)，針對多核網(wǎng)絡處理器主要的應用環(huán)境進行多業(yè)務的管理融合。 (2) 研究并實現(xiàn)了面向數(shù)據(jù)平面和控制平面的接口設計框架。 最新的Linux內核并沒有對快速路徑和慢速路徑進行明確的區(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計來實現(xiàn)多核網(wǎng)絡處理器性能發(fā)揮和內核功能實現(xiàn)之間的平衡，屏蔽底層硬件細節(jié)，提高網(wǎng)絡應用可復用能力與跨平臺可移植能力。 (3) 研究并設計了算法組件庫。 在多核網(wǎng)絡處理器的快速路徑中應用基于均勻服務隊列的分組調度算法，使決策時間復雜性、公平性、調度時延特性均與數(shù)據(jù)流個數(shù)無關，具有良好的可擴展性；應用遺傳式自動分配算法，在網(wǎng)絡處理器上建立流水編程任務分配模型。 (4)

6、設計了內核虛擬網(wǎng)絡塊框架，在管理平面實現(xiàn)了配置的模塊化。 將面向對象的設計方法引入內核設計中，采用“低層處理”的策略，將所有的網(wǎng)絡操作處理模塊化，盡可能在最低層把非法的數(shù)據(jù)包屏蔽掉，在最低層對內存進行釋放，使整個核心數(shù)據(jù)處理流程全部工作在內核一級，把相對耗費時間的匹配過程交給了用戶進程去處理。同時，在管理平面內采用面向對象的模塊化設計方法，利用事件機制，對不同的高層應用提供配置、管理功能。 在多核網(wǎng)絡處理器軟件框架研究和