基于飞腾平台的TOE优化技术研究与实现

发布时间：2018-01-15 22:20

本文关键词：基于飞腾平台的TOE优化技术研究与实现　出处：《国防科学技术大学》2013年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着诸如云计算、大数据和物联网等趋势的广泛兴起,数据流量爆炸式增长,网络带宽也随之快速增长,目前10G以太网已经广泛普及。怎样能够让处理器能够快速地捕获和处理网络数据包,仍是目前研究的一个热点。在飞腾(FT)平台,传统TCP/IP协议栈要占用大量计算和访存资源,主要表现在中断上下文切换、协议处理和数据拷贝三方面。虽然国产飞腾处理器频率虽然已经从800HZ到1000HZ,但由于网络带宽的增长速度远高于CPU处理能力的提高,国产飞腾CPU在处理频繁的网络事务时会存在以下问题:1)在接收大流量的数据时,网卡会产生大量的中断,会造成大量的中断上下文切换开销2)频繁的数据拷贝(先将接收的数据包拷贝到内核空间,然后应用程序通过系统调用将数据再次拷贝到用户空间进行处理)过程也增加系统总线负载和CPU处理周期;3)传统的TCP/IP协议数据的处理过程比较繁琐,这需要消耗大量CPU处理能力,在网络负载较重导致CPU严重过载,容易成为系统IO瓶颈。针对目前国产飞腾处理器主频较低,为了在处理大数据应用的高速网络环境中为了避免繁重的TCP/IP协议处理开销造成系统端瓶颈的问题,本文引入了TCP/IP协议卸载引擎(TOE)技术,把TCP/IP协议处理卸载到网卡中的协议卸载引擎上执行,来减轻CPU处理网络IO时的负载,CPU能够及时处理一些关键实时程序,从而减少应用程序延时并提高网络处理效率。首先,本文研究了TOE技术相关原理,并介绍了TOE技术的实现策略:部分卸载和全卸载。接着介绍了TOE硬件的几种实现方式:网络处理器加固件的方式、专用集成电路(ASIC)芯片方式和可编程器件方式,并分析了其优缺点,从成本和实现难易程度上来决策,本文采用了部分卸载的TOE网卡硬件。其次,介绍了国产飞腾处理器和实现数据路径卸载策略的TOE网卡硬件功能逻辑,鉴于其他平台现有的实现方式复杂,应用程序可移植性差等问题,对于部分卸载的TOE网卡,本文采用的是嵌入式的TOE软件架构方案,即在原始软件协议栈的基础上进行修改和功能拓展,并基于飞腾平台设计了FT-TOE系统软件,本文在国产飞腾平台上设计并实现的FT-TOE系统软件结构比较简单,实现较方便,主要包括TOE卸载模块和TOE设备驱动模块,并将于设备相关性较强的协议处理的功能代码大部分转移到TOE网卡的驱动程序中来实现,而且对Kyoin-OS网络协议栈的改动较小。然后,分析了FT-TOE的连接卸载技术、报文高效传输机制、中断加轮询接收数据包(NAPI)等关键技术,接着对进行协议处理过程中涉及到的另外两个重要开销:中断处理与切换开销和数据拷贝进行了分析与优化。先是从从系统中断处理的角度出发,结合国产FT多核处理器的硬件特性,提出了静态中断负载平衡方法,用来提高系统的中断负载性能,这种静态中断负载均衡调度能够显著的均衡网卡的中断负载。然后在数据进行处理的过程中对内核缓冲区到用户缓缓冲区的一次拷贝做进一步优化,在FT-TOE软件中实现了零拷贝数据传输技术。最后,对FT-TOE系统进行原型实现及性能测试,然后分别对基于国产飞腾多核处理器的中断负载均衡调度和零拷贝技术进行性能测试,测试表明在经过中断负载均衡调度和零拷贝技术的优化后,能最大化的减轻国产FT CPU的协议处理开销、数据拷贝开销和中断处理与上下文切换开销,提高了数据传输与处理效率。而后分别以CPU利用率和网络吞吐量为指标对FT-TOE系统做网络性能测试和分析。测试结果表明:使用TOE卸载引擎可以将FT CPU从繁重的协议处理过程中解脱出来,与不使用协议卸载功能的情况相比,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 .

【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP332

【参考文献】