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高性能网络虚拟化环境下动态中断频率协同控制技术研究

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高性能网络虚拟化环境下动态中断频率协同控制技术研究

作者：钱正宇上海交通大学

学位级别：硕士

当前数据中心对于高数据吞吐量和实时数据处理的需求推动了高性能网络的发展,作为数据中心基础之一的虚拟化技术也正受到网络发展的影响。如何提高虚拟机在高性能网络环境下的I/O性能一直是虚拟化平台的一大挑战。单根I/O虚拟化(SR-IOV... 详细信息

当前数据中心对于高数据吞吐量和实时数据处理的需求推动了高性能网络的发展,作为数据中心基础之一的虚拟化技术也正受到网络发展的影响。如何提高虚拟机在高性能网络环境下的I/O性能一直是虚拟化平台的一大挑战。单根I/O虚拟化(SR-IOV)标准是PCI-SIG组织制定的硬件辅助I/O设备虚拟化解决方案,因其在高性能网络虚拟化环境下的适用性而得以推广。SR-IOV标准采用I/O设备直接分配的方式,消除了虚拟机监视器复制数据包所带来的性能开销,实现了接近物理机的I/O性能。然而,在高性能网络环境下大量数据包所导致的中断处理开销成为了虚拟机网络I/O性能的瓶颈,即使采用napi等中断控制技术仍然不足以缓解大量中断所带来的压力。本文首先研究了采用SR-IOV标准的10G以太网卡通过napi与中断抑制进行中断频率协同控制的技术。实验证明,网卡原有控制方案在高负载情况下无法达到最佳性能,其主要原因在于设置了固定的中断频率而无法适应多样化应用场景的不同负载。针对这一问题,本文提出了负载自适应的动态中断频率协同控制优化方案,保证系统响应时间的同时最大化系统的吞吐率。优化方案在高负载情况下根据系统CPU资源使用情况动态调整中断频率,使系统吞吐率最大化。本文基于对网络吞吐率的数学模型分析,在系统中断不足和中断冗余时采用不同的中断频率控制方式,确保系统在不同负载并发度下都能有效利用CPU资源,达到最优的网络吞吐率。除此之外,优化方案还设计了自适应的算法切换机制。该机制根据系统负载选择不同控制算法,在低负载情况下采用原有控制方案的控制模式,使系统能达到最快的响应速度。本文实现了基于该优化方案的控制系统,并进行了全面的测试评估。测试结果表明,动态中断频率协同控制优化方案可以适用于不同的应用场景,在充分利用CPU资源和保证系统响应速度的同时最多可提升15%的网络吞吐率。

关键词：高性能网络虚拟化网络I/O虚拟化 SR-IOV napi 中断频率控制

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基于多核处理器的普适性报文捕获技术研究

基于多核处理器的普适性报文捕获技术研究

作者：孙江解放军信息工程大学

学位级别：硕士

高速网络时代已经到来,网络安全问题越发重要。作为网络监测的前端,报文捕获技术成为研究的热点之一。传统报文捕获技术在当前千兆甚至万兆的网络条件下早已不能胜任捕包任务,零拷贝技术的出现在很大程度上解决了报文捕获能力差和系统... 详细信息

高速网络时代已经到来,网络安全问题越发重要。作为网络监测的前端,报文捕获技术成为研究的热点之一。传统报文捕获技术在当前千兆甚至万兆的网络条件下早已不能胜任捕包任务,零拷贝技术的出现在很大程度上解决了报文捕获能力差和系统资源消耗高等问题。然而已出现的基于零拷贝技术的报文捕获平台仍存在捕包性能提升有限,可移植性差等缺点。另外,尚没有出现针对多核处理器设计的报文捕获方案,无法充分发挥多核条件下并行计算的优势,浪费了硬件资源。因此,设计一种运行在多核条件下且具有普适性的高性能报文捕获方案,成为报文捕获技术的研究重点。论文结合“IPv4-IPv6融合网络芯片研究与产业化”项目,分析现有的报文捕获相关技术,针对目前零拷贝技术存在的关键环节技术陈旧、专有性强造成的移植困难以及多核条件下的应用等问题,提出并实现了对零拷贝技术的改进方案,具有普适性的零拷贝报文捕获方案和零拷贝技术在多核环境中的应用方案,最后设计并实现了一种基于多核处理器的普适性报文捕获平台。通过对各个方案和报文捕获平台进行性能测试及测试结果分析证明,论文实现的平台在主流硬件配置和软件环境下具有普适性,可充分利用多核资源,进一步提升报文捕获平台的报文捕获能力,同时降低内存占用和CPU使用率。概括起来,主要工作如下: 1.提出并实现了对零拷贝技术的改进方案。分析了传统报文捕获技术的工作原理和零拷贝报文捕获平台的实现机制,并根据快速捕包的要求,对四个主要方面进行修改和完善:DMA映射需要预先分配报文缓冲区,改变用户态下静态分配缓冲区的方法,在内核态下动态分配缓冲区供DMA映射使用,减少了原方案对内存的消耗和浪费;改变零拷贝技术中内存映射依靠页面失效处理机制的方法,直接通过函数vmnsertage()向用户空间提交物理页面,减少上下文切换;不再自行设计同步机制,利用网卡支持的描述符环结构,软件程序和硬件设备按照预定的读写规则完成用户程序和网卡硬件的数据同步;摒弃实现复杂的用户程序轮询引擎,利用napi和网卡的中断节制,设计了一种中断缓和机制,有效解决了中断湮没问题。 2.提出并实现了普适性零拷贝报文捕获方案。对部分零拷贝平台的专有性进行了分析,通过对Linux标准内核中网络处理流程和napi机制的研究,找到了网络数据处理流程中的关键环节。直接修改标准内核,改变传统的数据通路,在内核中完成零拷贝工作。以不修改网卡驱动为前提,实现了零拷贝技术的普适性。论文设计了普适性的零拷贝模块,并给出了详细的实现过程。 3.针对多核处理器提出并实现了零拷贝技术在多核环境中的应用方案。用户模块和内核模块分别对CPU核进行绑定操作,初始化每个CPU核,并为其分配专有的数据区,最终达到调度和控制CPU核的目的。对SMP结构下的napi机制进行改进,提出了一种中断负载分配切换机制,缓解了中断亲和性和中断任务迁移的矛盾,提高了多核条件下napi机制的工作效率。在内核态下创建多线程程序,并发执行完成对多CPU核的内存映射及数据同步。 4.设计并实现了一种基于多核处理器的普适性报文捕获平台,并对各个方案和报文捕获平台进行性能测试,给出了测试分析结论。设计了报文捕获平台的总体结构,对构成平台的中断控制模块、多核绑定模块、内存映射模块和同步模块进行说明,并介绍了平台的工作流程。搭建测试环境,在两种硬件配置下对论文所提方案和实现平台进行测试。测试结果表明,报文捕获平台可以顺畅地工作在两种不同硬件环境下,捕包性能接近线速处理的能力,均衡了中断任务负载,CPU使用率和内存占用较已出现的零拷贝平台更低,验证了理论研究和方案实现的有效性和正确性。

关键词：报文捕获零拷贝普适性多核绑定 napi 中断亲和内存映射 DMA

Linux环境下基于Intel千兆网卡的高速数据包捕获平台的研究

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Linux环境下基于Intel千兆网卡的高速数据包捕获平台的研究

作者：刘峰厦门大学

学位级别：硕士

线速地实时处理网络报文流是入侵检测系统、网络协议分析、网络防火墙、高性能通信系统、高性能路由器、主机路由器,以及其他网络监视系统必须满足的首要条件。当前大部分的入侵检测系统、防火墙等网络监视及防御系统都是基于运行... 详细信息

线速地实时处理网络报文流是入侵检测系统、网络协议分析、网络防火墙、高性能通信系统、高性能路由器、主机路由器,以及其他网络监视系统必须满足的首要条件。当前大部分的入侵检测系统、防火墙等网络监视及防御系统都是基于运行在PC架构上的Linux平台。百兆的网络环境下,普通的网卡和Libpcap接口就足以保证运行在Linux用户空间的网络报文处理程序线速地捕获网络报文。如:tcpdump、ethereal和snort等程序。然而千兆网络时代的到来,使得在通用操作系统下远达不到线速捕获网络数据包。本文实现了一种高性能的网络数据包的捕获平台,省去了数据包在内核和用户空间传递过程中的拷贝,缓存,以及系统调用过程,从而使得网络报文的处理性能有很大提升。本人主要工作如下: 1.对Linux网络协议栈进行了分析,并对传统报文捕获平台Libpcap进行了分析研究。 2.深入分析了Intel千兆网卡驱动及相关的中断机制,软中断机制及内存映射机制。 3.在深入分析Linux 2.6内核的基础上,实现了一种新的基于Intel千兆网卡的高性能的网络数据包捕获平台ZeroP。ZeroP由两部分组成,一部分是位于内核空间的驱动模块,另一部分是用户空间的兼容Libpcap的接口。 4.搭建了CISCO测试平台,对ZeroP平台进行了性能及兼容性测试,并对测试数据进行了分析。

关键词： napi 中断 E1000网卡驱动 Mmap

Snort入侵检测系统中数据包捕获模块的分析与设计

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信息网络安全 2012年第10期 23-28页

作者：李康辛阳朱洪亮北京邮电大学信息安全中心北京100876

随着网络的高速发展,网络带宽得到了极大的提升。高速网络环境下对入侵检测系统提出了更高的要求,其中入侵检测系统的数据包捕获能力成为其发展的瓶颈。目前大多数系统使用传统的Libpcap库来实现数据包捕获功能,文章对一个基于Snort入... 详细信息

随着网络的高速发展,网络带宽得到了极大的提升。高速网络环境下对入侵检测系统提出了更高的要求,其中入侵检测系统的数据包捕获能力成为其发展的瓶颈。目前大多数系统使用传统的Libpcap库来实现数据包捕获功能,文章对一个基于Snort入侵检测系统中数据包捕获模块进行了分析设计,给出了设计架构,详细说明了工作流程,并对系统的性能进行了对比分析。

关键词：入侵检测 Snort PF_RING 零拷贝 napi 数据包采

基于Intel千兆网卡的高速包捕获技术的研究与实现

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信息工程大学学报 2011年第2期12卷 238-245页

作者：孙江兰巨龙信息工程大学国家数字交换系统工程技术研究中心河南郑州450002

针对传统数据包捕获方法的技术瓶颈,结合零拷贝思想,实现了一种基于Intel千兆网卡具有较高性能的数据包捕获平台。通过对libpcap及其改进版本libpcap-mmap的实现机制的分析,找出影响其捕获性能的技术缺陷。结合零拷贝技术,在解决了内存... 详细信息

针对传统数据包捕获方法的技术瓶颈,结合零拷贝思想,实现了一种基于Intel千兆网卡具有较高性能的数据包捕获平台。通过对libpcap及其改进版本libpcap-mmap的实现机制的分析,找出影响其捕获性能的技术缺陷。结合零拷贝技术,在解决了内存映射和同步访问等问题的基础上,避免了报文在传输过程中的多次拷贝,实现了用户程序与网卡接口设备的直接交互;充分利用Linux所支持的napi技术,减少内核中断响应,解决中断湮没问题。以上两点大大提高了报文捕获性能,减轻了CPU的负担,同时降低了用户级PC成为高性能报文处理系统的技术门槛。

关键词： libpcap 零拷贝 napi 千兆网卡包捕获

基于Linux的网络设备高效驱动程序的开发技术

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电光系统 2011年第4期 54-58页

作者：徐沛黄俊重庆邮电大学信号与信息处理重点实验室重庆400065

传统的Linux网络驱动程序对于高数据传输速率的支持有局限性，本文提出一种改进的网络设备驱动开发技术，可提高数据包处理性能。本文首先介绍了Linux网络设备驱动程序的架构，接着通过分析影响网络设备数据传输效率的因素提出了优化方... 详细信息

传统的Linux网络驱动程序对于高数据传输速率的支持有局限性，本文提出一种改进的网络设备驱动开发技术，可提高数据包处理性能。本文首先介绍了Linux网络设备驱动程序的架构，接着通过分析影响网络设备数据传输效率的因素提出了优化方案，最后根据优化方案设计实现了高效率的Linux网络驱动程序，达到了提高数据传输效率的目标。

关键词： Linux 网络设备驱动程序传输效率内存映射 napi

维普期刊数据库评论

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高速网络数据包捕获技术方法研究

科技经济市场 2009年第2期 11-12,10页

作者：周照峰贵州大学电子科学与信息技术学院贵州贵阳550025

本文首先讨论了网络数据包捕获的基本原理与技术,之后分别介绍与分析了在高速网络流量环境下从几种数据包捕获技术到网络设备上如何提高数据包捕获能力的方法。

关键词：数据捕获 napi libpcap 网络处理器:负载均衡

基于大流量小数据包网络环境下的捕包技术研究

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扬州职业大学学报 2006年第3期10卷 34-38页

作者：章强吉承平汤文成东南大学江苏南京210016 扬州职业大学江苏扬州225009

分析了高速网络环境下PC+NIC架构在Linux系统下数据包捕获机制,讨论了在大流量小数据包网络环境下产生大量丢包的原因,研究了在Linux平台下,通过综合应用地址映射、“零拷贝”、napi机制等多种技术对数据包捕获引擎进行改进,搭建了相应... 详细信息

分析了高速网络环境下PC+NIC架构在Linux系统下数据包捕获机制,讨论了在大流量小数据包网络环境下产生大量丢包的原因,研究了在Linux平台下,通过综合应用地址映射、“零拷贝”、napi机制等多种技术对数据包捕获引擎进行改进,搭建了相应的实验平台并进行相关的性能比较测试。测试表明,改进后的捕包平台能较大幅度提高大流量小数据包网络环境下数据包捕获效率。

关键词： Linux 数据包捕获中断活锁轮询 napi 地址映射

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基于Linux的高速网络包捕获技术研究

微型电脑应用 2006年第3期22卷 51-52,55页

作者：汪世义秦品乐大连理工大学巢湖学院数学系

论文首先分析了Linux数据包捕获机制,指出了在高速流量的网络环境中,频繁的网卡中断是系统接受数据包能力瓶颈。然后讨论了基于Linux系统中采用中断和轮询相结合的数据包捕获技术napi。测试实验结果证明了napi技术能有效地提高数据包捕... 详细信息

论文首先分析了Linux数据包捕获机制,指出了在高速流量的网络环境中,频繁的网卡中断是系统接受数据包能力瓶颈。然后讨论了基于Linux系统中采用中断和轮询相结合的数据包捕获技术napi。测试实验结果证明了napi技术能有效地提高数据包捕获效率。

关键词：中断轮询包捕获 napi