零拷贝报文捕获平台的研究与实现

根据零拷贝思想,实现了一种高性能的报文捕获平台(High-Performance Packet Capture Platform,HPPCP)．通过实现网络接口设备直接将数据报文以DMA方式存储到应用程序可以访问的地址空间,避免数据报文在内核态里传输时的内存操作,缩短了数据报文的行走路径;通过环策略管理数据报文缓冲区,实现了网卡和应用程序能够无冲突访问共享资源．这两点有效地降低了网络通信的延迟,极大地节省了CPU的开销．通过性能的分析比较表明,接收64Byte与1500Byte的报文时吞吐量分别达到90万pps(439Mbps)和8．2万pps(938Mbps),与传统的报文传输机制相比,报文捕获能力有了较为显著的提高．     

一种TCP／IP卸载的数据零拷贝传输方法

目前已应用的TOE网卡是一次拷贝传输,没有实现零拷贝。RDMA技术可以实现零拷贝,但它需要全新编程接口且只能与对等网卡通信。本文介绍了一种面向TCP／IP卸载、由网络协议栈完成本地内存管理的数据零拷贝传输方法,协议栈完成目标空间解析,网卡和用户空间直接进行DMA操作完成数据传输,不改变应用接口且能与普通网卡通信。测试表明该方法性能比一次拷贝传输有很大提高。     

RTAI下的网络报文捕获平台

针对传统报文捕获机制中内存拷贝冗余、中断处理及上下文切换频繁等弊端,提出在用户空间控制报文传输的思想,采用实时Linux内核及零拷贝思想对网卡驱动进行改造。捕包平台在捕获64 Byte及1 500 Byte的报文时,吞吐量分别达到了473 Mb/s和943 Mb/s,实验结果证明,与传统报文捕获平台相比,新平台的性能有显著提高。     

基于RTL8169网卡的零拷贝技术研究与实现

在传统的数据包捕获系统中,数据在内存中的拷贝花费了巨大的开销,严重影响了捕包系统的性能.文中根据零拷贝的思想,实现了一种基于RTL8169千兆网卡的高性能数据捕获平台,使得数据报文到达网络接口后,直接以DMA的方式存储到应用程序可以访问的地址空间,从而避免了其在内存中的拷贝,节省了CPU的开销.测试结果表明,当捕获的数据包为大数据包时,本捕获平台的最高捕获率达到了895M,几近发挥了网卡的最大性能,而且对小数据包的捕获率也得到了大幅提升.     

基于Linux高速报文捕获平台的DDoS入侵检测系统的研究

如何在高速网络环境下实现线速的报文捕获以及上层的安全应用,一直是研究的热点。前期用内存映射和零拷贝等方法实现了基于千兆网卡的高速报文捕获平台NACP,在此基础上,通过使用IP地址的分布与系统资源的使用情况等作为检测参数,在snort工具上实现了防DDoS攻击的入侵检测系统。在NACP上的实验表明,改进的DDoS入侵检测工具snort与高速报文捕获平台兼容性良好,发生DDoS时能迅速检测到并且做出恰当的回应。由于使用了高速报文捕获平台,DDoS检测占用系统资源明显减少,很大程度上提高了系统的效率,系统可以在入侵检测的同时处理其他的事务。     

DTN中依据报文质量的拥塞控制策略

为了解决受限网络环境所带来的低的递交率的问题,DTN（Delay Tolerant Networks）通常采用多拷贝路由（multiple-copy routing）机制来实现报文的有效递交。但在实际情况下,网络中节点的缓存是受限的,当网络中的总报文数大于所有节点的缓存容量和时,网络就发生了拥塞。针对网络拥塞,通过计算节点缓存中的报文质量（Quality of Message）以确定报文丢弃的优先级,合理地丢弃报文控制拥塞。仿真结果显示与其他拥塞控制策略相比,该路由策略能得到更好的网络性能。     

基于DMA的高速UART串口通信设计与实现

使用直接内存存取(DMA)方式接收报文时,必须先向DMA控制器指定需要接收的字节。当DMA控制器接收到指定字节后,产生DMA传输中断。但是在实际应用时,串口接收报文的字节往往是不固定的。针对DMA必须接收固定长度的数据才产生传输中断的不足,设计了外部中断与定时器相结合的方法来解决这一问题。该方法兼顾了DMA传输不需要CPU干预的优点,又弥补了其不能传输不定长数据的缺陷。外部中断由一个与串口RXD引脚相连接的外部引脚产生。该中断产生的EVENT事件与定时器的输入事件相关联。设置定时器为Retrigger模式,接收到EVENT事件后清零定时器的累计时间;而当定时器一定时间内接收不到EVENT事件后就会超时产生中断,在超时中断服务程序中进行报文处理。由于使用了定时器超时中断进行报文处理,实现了不定长报文的接收和处理,满足了串口通常传输不定长报文的需求。     

DTN中基于二分散发和等待路由的自适应拥塞控制策略

针对二分散发和等待路由中报文被转发的特点,提出节点首先通过应答交换机制丢弃已被递交到信宿节点的报文,来减少网络中冗余报文的传输;当节点缓存完全占用又需存储新报文时,执行拥塞检测和拥塞避免操作,遍历缓存,找到缓存中拷贝数最小的报文将其丢弃（若此报文正在被传输则丢弃拷贝数次小的报文）直至有足够的缓存空间存储新接收到的报文。通过大量仿真实验及相关数据的分析与比较,说明该拥塞策略能显著提高递交率,减小开销,并对拥塞状况有更好的自适应能力。     

一种用于可扩展路由器的报文结构设计

路由器的发展需要可扩展路由器体系结构。本文设计和买现了一种用干可扩展路由器的报文结构。新的报文结构在方便实现路由器模块化，提高报文访问性能，减少模块问内存拷贝，实现报文结构容错性等方面具有显著优势。     

网络缓存的零拷贝优化

数据的冗余拷贝是影响网络缓存软件性能的重要因素.本文详细分析了当前广泛使用的网络缓存程序Squid的数据拷贝流程,利用快速文件传输和数据流拼接两种策略在Linux平台上实现了squid的零拷贝优化.快速文件传输是将文件数据从文件系统内核缓存直接发送到远程主机,数据流拼接则是在网络协议栈内核缓存之间直接交换数据,二者都能够减少数据在内核空间和用户空间流动带来的冗余拷贝.实验证明,经过优化的Squid在主机CPU占用率和请求响应时间等方面的性能均有显著提高.     

一种基于X86架构的多核绑定技术

针对如何利用高性能多核化设备,提高网络安全产品的处理能力,设计和实现了一种基于x86架构的Llinux平台多核绑定技术。该技术首先建立DMA缓冲队列映射,减少网卡访问次数,采用SIMD多核思想设计和实现了虚拟数据桶,并对进入数据桶的数据实施负载均衡;将Netfilter主函数多线程化,并采用内核线程绑定技术将多线程绑定到指定核.实验结果表明,DMA缓冲队列映射可以提高网络设备的I/O吞吐量,虚拟数据桶减少了数据包二次拷贝的开销,节省内核态内存,多核绑定技术提高网络安全设备多核利用率和数据包处理能力。     

一种基于LWAP的IEEE 802.11平滑切换机制

IEEE 802.11网络中的BSS切换不可避免地产生丢包问题,这会造成网络性能严重下降,进而限制了移动环境下WLAN的广泛应用。为了降低切换过程中的丢包率,本文提出了一种在数据链路层、由无线链路事件触发的用户空间平滑切换机制,并且在基于嵌入式Linux平台的无线AP上进行了实现。大量的实验结果表明,在无需对当前IEEE 802.11协议进行改动的前提下,新切换机制可以保证在允许的时延范围内,较大地降低丢包率,提高网络性能,并且可以支持平滑漫游。改进的平滑切换机制独立于驱动,具有良好的可移植性,可以在现有AP上增量添加,而无需更改STA,降低了升级成本。     

高速网络接口卡DMA引擎的设计与实现

随着DMA技术在高速网络接口卡设计中的广泛应用，DMA引擎已成为高速网络接口卡的一个重要组成部分。该文提出了一种面向高速网络接口卡的DMA引擎的实现方案，并将之成功地应用于千兆位以太网网络接口卡的具体实现中。     

一种基于PCI总线的反射内存卡设计

设计了一款基于PCI总线的反射内存卡。在FPGA中设计了数据存取控制逻辑、SDRAM控制逻辑,避免了内存冲突,实现内存共享;利用FIFO进行数据缓冲,提高了数据传输速率;设计了数据包格式,以支持组建反射内存网络;采用光纤接口传输数据,串行传输速率达1.0625 Gb/s。开发了基于Windows的设备驱动程序,提供了Windows API函数。仿真实验表明,该卡能够完成不同节点间的实时传输。     

基于FC-AE-ASM的IP业务传输方法的设计实现

随着FC-AE网络在高可靠性网络中的应用越来越广泛,在FC-AE网络上传输IP业务不仅拓宽了FC-AE网络的应用范围,而且能够实现FC-AE网络与以太网网络的融合.提出了基于FC-AE-ASM协议的IP业务传输方案,在支持FC-AE-ASM协议的HBA卡物理设备上,构建了一个虚拟网卡内核模块.本方案扩展了TCP/IP协议栈,在网络接入层下扩展了一个FC接口层,实现了FC-AE-ASM帧对以太网帧的封装和解封装.同时,利用FC网络底层流控机制,实现了IP业务在FC-AE网络上的高可靠性传输.通过实验组网测试可知,本方案在延时、带宽、抖动、丢包率等方面相对于商用千兆网卡都有较多的优势,在航空航天等应用场景具有重要的应用价值.     

XNETi网络接口的差错控制与分包／重组问题的研究

ＸＮＥＴｉ是为ＸＮＥＴ网络互连系统设计的基于ＰＣＩ总线的网络接口,可以有效地支持用户层的消息传递。本文着重介绍了ＸＮＥＴｉ中差错控制与分包／重组等功能的具体实现。     

片上多处理器中基于步长和指针的预取

在对大量程序访存行为进行分析的基础上,提出基于步长和指针的预取方法。能捕获规整的数据访问模式和指针访问模式。在L2cache和内存之间采用全局历史缓存实现该预取方法。全系统模拟结果表明,该预取方法对商业应用测试程序的性能平均提高14％,对科学计算测试程序的性能平均提高34．5％。     

高性能LTE终端通信协议栈缓存机制

针对LTE终端通信协议栈的处理过程中Cache缓存方式效率差,提出一种可以提高处理速度降低延时的数据缓存方式。通过利用便签式存储器(Scratch-Pad Memory,SPM)和直接内存存取方式(Direct Memory Access,DMA)的性能优势,将协议栈处理的过程中需要与处理器频繁交互的数据缓存到SPM中,实现在SPM中完成数据的包头压缩/解压、加密/解密和重组等协议功能处理,并通过DMA方式实现SPM与主存之间的数据搬运,减少处理器对大块连续数据的搬运,提高处理效率。该方式避免了CPU在通过Cache缓存方式进行数据交互容易发生缓存不命中的问题,从而提高了协议栈的数据处理效率。经过理论分析及实验对比,结果表明,在LTE协议栈处理过程中,采用SPM与DMA结合的数据缓存机制,相比Cache缓存方式可以使整体性能至少提升12.65%。     

申威众核处理器访存与通信融合编译优化

申威众核片上多级存储层次是缓解众核“访存墙”的重要结构.完全由软件管理的SPM结构和片上RMA通信机制给应用性能提升带来很多机会,但也给应用程序开发优化与移植提出了很大挑战.为充分挖掘片上存储层次特点提升应用程序性能,同时减轻用户编程优化负担,本文提出了一种多级存储层次访存与通信融合的编译优化方法.该方法首先设计了融合编译指示,将程序高层信息传递给编译器.其次构建了编译优化收益模型并设计了启发式循环优化方案迭代求解框架,并由编译器完成循环优化方案的求解和优化代码的变换.通过编译生成的DMA和RMA批量数据传输操作,将较低存储层次空间中高访问延迟的核心数据批量缓冲进低访问延迟的更高存储层次空间中.在三个典型测试用例上进行了优化实验测试与分析,结果表明本文所提出的优化在性能上与手工优化相当,较未优化版程序性能有显著提升.     

基于USB接口的AFDX网络TAP卡设计与实现

AFDX网络以其传输时间确定性、高可靠性和实时性等优点,成为新一代大型飞机航空总线的最佳选择之一。作为一种具有巨大应用潜力的新型的机载网络,AFDX网络的仿真测试至关重要。针对AFDX网络系统提出了一种TAP（test access point,测试访问接口）结构的测试卡设计方案。在设计的过程中,充分考虑了接入方式对网络传输的影响和数据捕获速率对主机接口的要求,采用串联植入方式设计出一款基于USB2.0接口的TAP卡及协议解析和数据统计软件,为AFDX网络的性能评估和系统级验证提供了方法和依据。通过在AFDX仿真验证平台中的实测结果,证明了该TAP卡具有灵活性强、测试精度高、实时性强等特点,完全满足AFDX网络测试及监控需求,为相关测试系统的研制提供了设计思路和实践经验。