【摘要】：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network FunctionVirtualization,NFV)是通信運(yùn)營(yíng)商維護(hù)和改良服務(wù)的極大助力。運(yùn)營(yíng)商用通用的軟件取代傳統(tǒng)的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)種種網(wǎng)絡(luò)功能,從而有效縮減業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)成本和操作成本。當(dāng)然,新興的技術(shù)往往也伴隨著挑戰(zhàn),軟件的網(wǎng)絡(luò)功能必須提高自己的性能來(lái)符合實(shí)際的需求。各種軟硬件優(yōu)化手段都可以用于提高網(wǎng)絡(luò)功能的性能,在軟件方面,高速包轉(zhuǎn)發(fā)框架DPDK(Data Plane Development Kit)提供了數(shù)據(jù)面加速的大多數(shù)優(yōu)化手段。同時(shí),在硬件層面也有很多針對(duì)I/O和內(nèi)存訪問(wèn)的加速技術(shù)。DPDK提供了一種流水線模型,可以將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能分成多個(gè)步驟,將每一個(gè)步驟都視作獨(dú)立的線程部署于多核系統(tǒng)之上,一個(gè)報(bào)文在其處理過(guò)程中會(huì)途徑多個(gè)線程,發(fā)生多次數(shù)據(jù)交換。這種多線程的軟件在多核系統(tǒng)上部署時(shí)需要謹(jǐn)慎選擇放置策略,要同時(shí)考慮到硬件平臺(tái)上的加速技術(shù)和流水線模型本身的特性。多核系統(tǒng)中的NUMA(Non Uniform Memory Access)架構(gòu)使得遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問(wèn)的開銷比本地內(nèi)存訪問(wèn)要大。在放置流水線模型的網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)應(yīng)針對(duì)特定的硬件特性給出優(yōu)化策略,從而更好的利用各項(xiàng)軟硬件加速技術(shù),提高網(wǎng)絡(luò)功能整體的性能。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)功能的放置,現(xiàn)有研究解決問(wèn)題的角度都略顯宏觀,并沒(méi)有關(guān)注網(wǎng)絡(luò)功能內(nèi)部的結(jié)構(gòu),只是將其視作一個(gè)有計(jì)算資源需求的放置單位。本研究對(duì)NFV中網(wǎng)絡(luò)功能的資源分配和放置問(wèn)題作出了細(xì)節(jié)的擴(kuò)充,關(guān)注的是流水線處理模型下多線程網(wǎng)絡(luò)功能內(nèi)部的每一個(gè)子功能線程與NUMA架構(gòu)多核系統(tǒng)中的核心映射。本文主要的工作成果可以歸納如下:(1)本研究分析了流水線模型的多線程網(wǎng)絡(luò)功能在多核系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)的各種影響性能的因素。網(wǎng)絡(luò)功能基于DPDK的包轉(zhuǎn)發(fā)框架開發(fā),利用到了多種數(shù)據(jù)面加速技術(shù),流水線架構(gòu)本身也會(huì)對(duì)報(bào)文處理帶來(lái)一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。在硬件方面,DDIO(Direct DataIO)技術(shù)對(duì)網(wǎng)卡的收發(fā)包進(jìn)行加速,NUMA架構(gòu)對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)也進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)綜上各種軟硬件加速技術(shù),本文分析了可能造成性能下降的因素和相應(yīng)的優(yōu)化點(diǎn)。(2)本研究在總結(jié)現(xiàn)有NFV資源分配和放置問(wèn)題研究工作的基礎(chǔ)上提出了線程級(jí)別的放置,針對(duì)流水線的特性建立了轉(zhuǎn)發(fā)路徑圖模型,還對(duì)底層使用了 NUMA架構(gòu)的硬件資源進(jìn)行建模。最后把流水線網(wǎng)絡(luò)功能在多核系統(tǒng)上的放置建模為一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題,給出了相應(yīng)的物理約束,并定義了使放置后功能內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)路徑延遲最低,且流水線生產(chǎn)最平衡的目標(biāo)。(3)針對(duì)提出的優(yōu)化目標(biāo),本文給出了兩類不同的線程放置算法。第一種是在線程可以獨(dú)占處理器核心的情況下,盡量使整個(gè)流水線內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)路徑的延遲最低的最小距離映射算法。其次提出的是當(dāng)多個(gè)線程可以分享一個(gè)處理器核心的運(yùn)行時(shí)間時(shí),為每一個(gè)線程選擇合適的處理器核心的核心綁定算法。本文首先介紹了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化背景下對(duì)流水線模型網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行合理放置的研究意義和價(jià)值,然后介紹了相關(guān)領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,并提出了本文的研究挑戰(zhàn)和研究路線。接著,本文對(duì)DPDK、硬件方面的加速技術(shù)和流水線處理模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。之后本文給出了軟硬件的模型,將其建模為整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題,給出約束和目標(biāo),并提出了放置的算法。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各項(xiàng)影響網(wǎng)絡(luò)功能性能的因素和本文算法的有效性。最后是對(duì)全文的總結(jié)與展望。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP393.01
【圖文】：

根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ＥＴＳＩ）的定義，ＮＦＶ的高屬架構(gòu)主要由Ｈ個(gè)基本逡逑要素組成ｔ網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（ＮＦＶＩ），哰擬網(wǎng)絡(luò)功能（ＶＮＦ），以及網(wǎng)逡逑絡(luò)功能的管理與編排（ＭＡＮＯ）邐其整體架構(gòu)如圖２－１所示。逡逑虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（ＶＮＦ）逡逑ＶＮＦ邋２邋ＶＮＦ邋３逡逑４／＾邐入邋＿逡逑與邐＾邋與逡逑編邋／邐編逡逑排＾排逡逑網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施逡逑圖２－１網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化組成架構(gòu)ｐｓ］逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ逡逑其中，ＮＦＶＩ是軟硬件資源的結(jié)合，為上層網(wǎng)}a服務(wù)的運(yùn)行提供最底層的支撐逡逑環(huán)境。物理資源有計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源＾在物理資源上有■一個(gè)抽象層，將計(jì)算、逡逑存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源抽象成相應(yīng)的虛擬資源，通常這是由虛擬化層來(lái)完成的。計(jì)算和逡逑存儲(chǔ)資源可以用虛擬機(jī)表示并進(jìn)行分配，而網(wǎng)絡(luò)資源是由哰擬的結(jié)點(diǎn)和鏈路組成逡逑的，所謂的虛擬結(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的軟件模塊。逡逑－８邋－逡逑

在ＮＦＶ框架中關(guān)于哢擬化的管理任務(wù)，弁向甩戶提供使用網(wǎng)絡(luò)功能的接口ａ對(duì)網(wǎng)逡逑絡(luò)功能進(jìn)行創(chuàng)建與配置等操作。逡逑對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署，如圖２－２所示有三種方式：?jiǎn)[擬機(jī)架構(gòu)、裸機(jī)架構(gòu)與容逡逑器架構(gòu)。在一個(gè)典型的ＮＦＶ架構(gòu)中，往往是通過(guò)虛擬機(jī)環(huán)境將計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)}a逡逑資源抽象化為對(duì)應(yīng)的虛擬資源，然后再把網(wǎng)絡(luò)功能部署到哰擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)資源的分逡逑配［２１＞］，這樣部署就形成了所謂的哰擬網(wǎng)絡(luò)功能。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)功能的部署弁不僅限逡逑于虛擬機(jī)這一種方式，網(wǎng)絡(luò)功能也可以不逋過(guò)虛擬機(jī)管理器，直接訪問(wèn)設(shè)備的硬逡逑件資源，部暑在裸機(jī)之上ｐ６］。又或者，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能可以部署在容器中＇，通過(guò)Ｌｉｎｕｘ逡逑內(nèi)核自帶的命名空丨Ｕ和ｃｇｒｏｕｐｓ進(jìn)行資源的管理［２７］。逡逑勞邐邐＜逡逑ＶＭ１邋ＶＭ２邋ＶＭ３逡逑Ｓ［邋ＶＮＦｓ邋１邋＼邋ＶＮＦｓ邋１邐邐邋＿邋胃器逡逑■邐邐ｄＳＥ＾邐＼邐，胃器１、邐ＶＮＦｓ逡逑Ｉ邐）邋Ｉ邐Ｉ邐ＶＮＦｓ邐■逡逑■邋邐逡逑虛擬機(jī)f砥麇危齲懾澹鄭危啤板澹鄭危棋五瘟唇涌忮義閑檳饣芄瑰溫慊芄瑰穩(wěn)萜骷芄瑰義賢跡玻殘檳饌綣δ艿牟煌渴鴟絞藉義希疲椋紓澹玻插澹模椋媯媯澹潁澹睿翦澹洌澹穡歟錚恚澹睿翦澹螅簦歟邋澹錚駑澹鄭危

本文編號(hào)：2775310