本文關(guān)鍵詞：基于飛騰平臺的TOE優(yōu)化技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)　出處：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2013年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著諸如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等趨勢的廣泛興起,數(shù)據(jù)流量爆炸式增長,網(wǎng)絡(luò)帶寬也隨之快速增長,目前10G以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛普及。怎樣能夠讓處理器能夠快速地捕獲和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,仍是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在飛騰(FT)平臺,傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧要占用大量計(jì)算和訪存資源,主要表現(xiàn)在中斷上下文切換、協(xié)議處理和數(shù)據(jù)拷貝三方面。雖然國產(chǎn)飛騰處理器頻率雖然已經(jīng)從800HZ到1000HZ,但由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長速度遠(yuǎn)高于CPU處理能力的提高,國產(chǎn)飛騰CPU在處理頻繁的網(wǎng)絡(luò)事務(wù)時(shí)會存在以下問題:1)在接收大流量的數(shù)據(jù)時(shí),網(wǎng)卡會產(chǎn)生大量的中斷,會造成大量的中斷上下文切換開銷2)頻繁的數(shù)據(jù)拷貝(先將接收的數(shù)據(jù)包拷貝到內(nèi)核空間,然后應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)再次拷貝到用戶空間進(jìn)行處理)過程也增加系統(tǒng)總線負(fù)載和CPU處理周期;3)傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的處理過程比較繁瑣,這需要消耗大量CPU處理能力,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重導(dǎo)致CPU嚴(yán)重過載,容易成為系統(tǒng)IO瓶頸。針對目前國產(chǎn)飛騰處理器主頻較低,為了在處理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為了避免繁重的TCP/IP協(xié)議處理開銷造成系統(tǒng)端瓶頸的問題,本文引入了TCP/IP協(xié)議卸載引擎(TOE)技術(shù),把TCP/IP協(xié)議處理卸載到網(wǎng)卡中的協(xié)議卸載引擎上執(zhí)行,來減輕CPU處理網(wǎng)絡(luò)IO時(shí)的負(fù)載,CPU能夠及時(shí)處理一些關(guān)鍵實(shí)時(shí)程序,從而減少應(yīng)用程序延時(shí)并提高網(wǎng)絡(luò)處理效率。首先,本文研究了TOE技術(shù)相關(guān)原理,并介紹了TOE技術(shù)的實(shí)現(xiàn)策略:部分卸載和全卸載。接著介紹了TOE硬件的幾種實(shí)現(xiàn)方式:網(wǎng)絡(luò)處理器加固件的方式、專用集成電路(ASIC)芯片方式和可編程器件方式,并分析了其優(yōu)缺點(diǎn),從成本和實(shí)現(xiàn)難易程度上來決策,本文采用了部分卸載的TOE網(wǎng)卡硬件。其次,介紹了國產(chǎn)飛騰處理器和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路徑卸載策略的TOE網(wǎng)卡硬件功能邏輯,鑒于其他平臺現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜,應(yīng)用程序可移植性差等問題,對于部分卸載的TOE網(wǎng)卡,本文采用的是嵌入式的TOE軟件架構(gòu)方案,即在原始軟件協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和功能拓展,并基于飛騰平臺設(shè)計(jì)了FT-TOE系統(tǒng)軟件,本文在國產(chǎn)飛騰平臺上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的FT-TOE系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)比較簡單,實(shí)現(xiàn)較方便,主要包括TOE卸載模塊和TOE設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊,并將于設(shè)備相關(guān)性較強(qiáng)的協(xié)議處理的功能代碼大部分轉(zhuǎn)移到TOE網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序中來實(shí)現(xiàn),而且對Kyoin-OS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的改動(dòng)較小。然后,分析了FT-TOE的連接卸載技術(shù)、報(bào)文高效傳輸機(jī)制、中斷加輪詢接收數(shù)據(jù)包(NAPI)等關(guān)鍵技術(shù),接著對進(jìn)行協(xié)議處理過程中涉及到的另外兩個(gè)重要開銷:中斷處理與切換開銷和數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)行了分析與優(yōu)化。先是從從系統(tǒng)中斷處理的角度出發(fā),結(jié)合國產(chǎn)FT多核處理器的硬件特性,提出了靜態(tài)中斷負(fù)載平衡方法,用來提高系統(tǒng)的中斷負(fù)載性能,這種靜態(tài)中斷負(fù)載均衡調(diào)度能夠顯著的均衡網(wǎng)卡的中斷負(fù)載。然后在數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中對內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩緩沖區(qū)的一次拷貝做進(jìn)一步優(yōu)化,在FT-TOE軟件中實(shí)現(xiàn)了零拷貝數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。最后,對FT-TOE系統(tǒng)進(jìn)行原型實(shí)現(xiàn)及性能測試,然后分別對基于國產(chǎn)飛騰多核處理器的中斷負(fù)載均衡調(diào)度和零拷貝技術(shù)進(jìn)行性能測試,測試表明在經(jīng)過中斷負(fù)載均衡調(diào)度和零拷貝技術(shù)的優(yōu)化后,能最大化的減輕國產(chǎn)FT CPU的協(xié)議處理開銷、數(shù)據(jù)拷貝開銷和中斷處理與上下文切換開銷,提高了數(shù)據(jù)傳輸與處理效率。而后分別以CPU利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量為指標(biāo)對FT-TOE系統(tǒng)做網(wǎng)絡(luò)性能測試和分析。測試結(jié)果表明:使用TOE卸載引擎可以將FT CPU從繁重的協(xié)議處理過程中解脫出來,與不使用協(xié)議卸載功能的情況相比,CPU的使用率可以降低%50左右。
[Abstract]:This paper introduces the technology of TCP / IP protocol offload engine ( TOE ) , which can reduce application latency and improve network processing efficiency . This paper designs and implements FT - TOE system software in China - made flying platform . It includes TOE offload module and TOE device driver module .

【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP332

【參考文獻(xiàn)】

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1 周敬利,王志華,姜明華,徐漾,余勝生;基于TCP/IP卸載引擎的千兆網(wǎng)卡[J];計(jì)算機(jī)工程;2004年04期

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本文編號：1430321