軟件路由器在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,而Click是具有良好模塊化設(shè)計(jì)的軟件路由器,為開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新的路由協(xié)議等應(yīng)用提供了很好的軟件平臺(tái)。由于實(shí)現(xiàn)機(jī)制問(wèn)題,用戶態(tài)Click的I/O性能?chē)?yán)重限制報(bào)文處理能力,影響以Click軟件路由器為平臺(tái)的系統(tǒng)的整體性能。針對(duì)現(xiàn)有Click用戶態(tài)I/O機(jī)制的不足,提出了一種面向用戶態(tài)Click的I/O優(yōu)化框架,通過(guò)采用輪詢技術(shù)、零拷貝技術(shù)和報(bào)文預(yù)取技術(shù)提升了I/O性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化后的用戶態(tài)Click的I/O性能提升了121倍。 

【文章來(lái)源】：計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索. 2016,10(12)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

中斷方式和輪詢方式的對(duì)比

劉松等：面向用戶態(tài)Click的I/O優(yōu)化框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本文所提出的用戶態(tài)Click軟件優(yōu)化框架如圖3所示。該框架不依賴(lài)于諸如SR-IOV（single-rootI/Ovirtualization）的硬件優(yōu)化方案，完全采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，既避免了原有的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高了系統(tǒng)性能，又可以充分利用用戶態(tài)Click的穩(wěn)定性高、易于擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，在可編程性和高性能方面取得了良好的平衡。輪詢方式收發(fā)報(bào)文技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：在用戶態(tài)使用IntelDPDK數(shù)據(jù)層面開(kāi)發(fā)套件中的輪詢驅(qū)動(dòng)，從網(wǎng)卡中直接獲取報(bào)文到用戶層并形成報(bào)文的接收隊(duì)列，通過(guò)創(chuàng)建新的Click組件，在Click中使用輪詢CPU隊(duì)列的方式訪問(wèn)DPDK中的報(bào)文接收隊(duì)列收取報(bào)文，并將報(bào)文存儲(chǔ)在用戶態(tài)的使用無(wú)鎖環(huán)管理的大頁(yè)內(nèi)存中。待Click處理完報(bào)文之后，Click組件再以輪詢CPU隊(duì)列的方式將報(bào)文按照必要的信息提交給指定的發(fā)送隊(duì)列，輪詢模式的驅(qū)動(dòng)庫(kù)則會(huì)通過(guò)定時(shí)輪詢發(fā)送隊(duì)列的方式將報(bào)文發(fā)送到指定的網(wǎng)卡并釋放內(nèi)存空間，完成整個(gè)報(bào)文的收發(fā)操作。零拷貝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：報(bào)文從網(wǎng)卡收取到用戶層之后，提取一定量的必要信息，比如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、報(bào)文頭指針等，通過(guò)緩沖區(qū)管理庫(kù)的操作，生成Click內(nèi)部處理報(bào)文格式，以文件描述符的形式交給Click組件進(jìn)行后續(xù)處理。完成指定的報(bào)文操作后，再通過(guò)緩沖區(qū)管理庫(kù)，根據(jù)報(bào)文的文件描述符及必要的附加信息將Click報(bào)文還原成DPDK中的內(nèi)部報(bào)文結(jié)構(gòu)，并提交給發(fā)送隊(duì)列進(jìn)行發(fā)送。整個(gè)報(bào)文的操作過(guò)程只進(jìn)行了文件描述符的傳遞，實(shí)際報(bào)文數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行多余的拷貝工作。報(bào)文預(yù)取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：Click組件進(jìn)行報(bào)文處理主要通過(guò)任務(wù)隊(duì)列對(duì)報(bào)文進(jìn)行操作，在處理一個(gè)報(bào)文的時(shí)候提前將下一個(gè)需要處理的報(bào)文的文件描述符以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中預(yù)取到Cache中，且在內(nèi)存管理中采用大頁(yè)內(nèi)存和無(wú)

ontiersofComputerScienceandTechnology計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索2016,10(12)網(wǎng)卡中收?qǐng)?bào)文性能達(dá)到5880Kp/s，性能提升大約62倍；使用本文提出的面向用戶態(tài)Click的I/O優(yōu)化框架，同時(shí)采用報(bào)文零拷貝、輪詢、緩存預(yù)取等技術(shù)的情況下，對(duì)64Byte報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)性能為11400Kp/s，性能提升大約121倍。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，使用報(bào)文零拷貝和緩存預(yù)取技術(shù)可以將包轉(zhuǎn)發(fā)能力提高將近60倍。此外，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于超過(guò)128Byte長(zhǎng)度大小的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速度與設(shè)備發(fā)包速度相當(dāng)，即可以實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)發(fā)。（2）吞吐率結(jié)果與分析與包轉(zhuǎn)發(fā)速率相對(duì)應(yīng)，圖4（b）和表2展示了不同技術(shù)下的吞吐率，從吞吐率的表現(xiàn)可以得知，原生態(tài)用戶態(tài)Click的吞吐率表現(xiàn)最差，其最大吞吐率只有981Mb/s，相同報(bào)文長(zhǎng)度下，使用3種優(yōu)化技術(shù)最大吞吐率達(dá)到9860Mb/s。測(cè)試結(jié)果顯示，從128Byte長(zhǎng)度大小的報(bào)文開(kāi)始，同時(shí)使用輪詢、零拷貝、報(bào)文預(yù)取等技術(shù)優(yōu)化的Click用戶態(tài)的吞吐率與測(cè)試儀報(bào)文發(fā)送的吞吐率相等。此外，對(duì)于優(yōu)化后的ClickI/O在多核、多線程時(shí)的表現(xiàn)也進(jìn)行了簡(jiǎn)單測(cè)試，由于經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Click的I/O能力單核、單線程已經(jīng)超過(guò)了5Gb/s吞吐率，使用多核、多進(jìn)程吞吐率一直保持單接口滿負(fù)荷狀態(tài)（≈10Gb/s）。Fig.4Throughputandforwardingrateindifferentmechanisms圖4不同技術(shù)下的吞吐率和轉(zhuǎn)發(fā)性能表現(xiàn)Table1Forwardingrateindifferentmechanisms表1不同技術(shù)下的轉(zhuǎn)發(fā)速率技術(shù)NativeClickClick+PollModeClick+Optimization不同幀長(zhǎng)下的轉(zhuǎn)發(fā)速率/(Kp/s)64Byte94588011400128Byte9457808446256Byte9445304530512Byte88235023501024Byte84119711971514Byte81812812Table2Throughputindifferentmechanisms表2不同技術(shù)下的吞吐?


本文編號(hào)：2989906