面向网络处理器的软件平台关键技术研究

论文题目: 面向网络处理器的软件平台关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机应用技术

作者: 闫守孟

导师: 周兴社

关键词: 网络处理器,系统软件平台,高层编程模型,分组训度算法,任务分配,平面问交互框架,实时进程调度

文献来源: 西北工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 网络处理器(NP)是一种面向网络设备通信处理任务而优化设计的可编程ASIP(Application Specific Instruction Processor)，它兼有高速处理和灵活编程两种能力，能很好地适应高速网络和业务演化的需要。目前在NP体系结构方面已有较多研究，但NP相关软件技术的研究尚不充分。例如，Intel IXP系列NP在体系结构上虽已发展到第三代，Intel公司仍专门发起了Intel IXA大学计划，以资助学术界在NP尤其是NP软件技术方面的研究。 NP软件开发的困难主要来自于其微并行结构之复杂性和网络多平面处理环境之特殊性，突出表现为：缺乏高层编程模型和开发工具，缺乏网络通信处理算法组件库，缺乏适应多平面处理环境的OS支持。 本文在国家863计划和Intel IXA大学计划的双重资助之下，结合863重大软件专项“面向网路处理器的系统软件平台(NPPlatform)”课题任务，以IntelIXP2400网络处理器板为实验平台，深入研究了NP系统软件平台涉及的高层编程模型和支持工具、适应NP结构的网络通信处理算法组件库，以及优化的控制平面操作系统等关键技术。论文的主要工作和研究成果包括： 设计了NPPlatform的体系结构和功能组成，并实现了NPPlatform所含有的高层编程模型与开发环境——NPWare。NPPlatform平台可有效支持NP应用系统的多平面协同开发特点，而NPWare可屏蔽底层硬件细节，提高应用可复用能力与跨平台可移植能力。 现有分组调度算法难以同时满足时间复杂性低和QoS保障能力强两方面的要求，本文提出了一种基于均匀服务序列的分组调度算法，并给出其NP实现。理论分析和仿真实验结果表明该算法的决策时间复杂性、公平性、调度时延特性均与数据流个数无关，不仅具有良好的可扩展性，而且在度量上明显优于以加州大学圣地亚哥分校的Stratified-RR为代表的几个近年提出的DRR类算法。 在建立了NP流水编程模式任务分配模型的基础上，提出一种遗传式自动分配算法GaPipe，以改善人工分配过程存在的长周期和低效率缺点。大量比较实验结果表明，相对于华盛顿大学的GreedyPipe算法，GaPipe在算法效率稍有损失情况下，大幅提高了分配精度，具备优良的综合性能。GaPipe已应用于NPWare开发环境中。 提出并实现了一种可扩展的平面间交互框架，可有效支持数据平面和控制平面之间的通信协调，具有通信简捷和应用透明的优点。该框架扩展和优化了现有嵌入式OS，使之能适应多平面处理环境。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 网络处理器的概念

1.2 网络处理器的起源

1.3 典型 NP结构与应用结构

1.4 NP体系结构特点

1.4.1 并行

1.4.2 分层存储结构

1.4.3 协处理器

1.4.4 PE间互联

1.4.5 外部接口

1.5 NP相关研究

1.5.1 NP结构

1.5.2 NP性能评价

1.5.3 NP设备结构和 NP应用研究

1.5.4 NP适应的网络处理算法

1.5.5 NP编程模型和工具

1.6 论文研究背景

1.7 本文主要工作及论文结构

第2章 NP软件平台的结构和功能

2.1 NP软件平台的实际需求和设计目标

2.2 NPPlatform的结构和功能

2.3 NPPlatform目前的实现状态

2.4 NPWare

2.4.1 编程模型

2.4.2 工具实现

2.4.3 使用流程

2.5 本章小结

第3章 NP分组调度策略与实现机制

3.1 概述

3.2 分组调度算法评价标准

3.3 已有分组调度算法分析

3.3.1 时标排序算法

3.3.2 轮转算法

3.3.3 DRR算法

3.4 ESSDRR算法

3.4.1 问题描述

3.4.2 ESS构造算法

3.4.3 ESSDRR算法过程

3.5 ESSDRR性能理论分析

3.5.1 公平性

3.5.2 调度时延特性

3.5.3 复杂性

3.6 ESSDRR仿真实验

3.6.1 端到端时延实验

3.6.2 吞吐率-时间分布特性实验

3.7 ESSDRR算法深度优化

3.7.1 ESSDRR+

3.7.2 ESSDRR++

3.8 ESSDRR在NP上的实现

3.8.1 功能划分设计

3.8.2 具体问题解决

3.9 本章小结

第4章 NP流水型任务集自动分配

4.1 引言

4.2 NP任务分配模型

4.3 相关研究

4.4 遗传算法概述

4.5 GaPipe算法

4.5.1 单流编码方法

4.5.2 目标函数、惩罚函数和适应度函数

4.5.3 初始种群确定方法

4.5.4 选择方法

4.5.5 交叉和变异

4.5.6 终止条件

4.5.7 多流整合策略

4.5.8 算法过程示例

4.6 GaPipe的实现

4.7 GaPipe的性能分析

4.7.1 算法时间

4.7.2 结果质量

4.8 GaPipe的应用

4.8.1 在 NPWare中的应用

4.8.2 在流水线软硬件设计过程中的应用

4.9 本章小结

第5章 NP控制平面嵌入式OS优化与扩展

5.1 引言

5.2 可扩展的平面间交互框架

5.2.1 平面间交互框架的引入

5.2.2 网络接口映像驱动(MiNi Driver)

5.2.3 互连支持设施(ISF)

5.2.4 PE Driver

5.2.5 数据流处理

5.2.6 控制流处理

5.2.7 NPF API的支持

5.2.8 系统实现

5.2.9 平面间交互相关研究

5.3 基于分组属性的进程调度策略

5.3.1 分组属性和进程调度关联的必要性

5.3.2 相关研究

5.3.3 Linux相关实现分析

5.3.4 Linux进程调度策略的再思考

5.3.5 基于分组属性进程调度策略的设计

5.3.6 分组属性表与分组优先级的确定

5.3.7 进程优先级的确定

5.3.8 分组处理进程标志的设置和清除

5.3.9 IP转发任务优化

5.3.10 属性表配置工具和编程接口

5.3.11 性能分析

5.3.12 一点改进

5.4 其它

5.5 本章小结

第6章 结束语

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和专著

攻读学位期间科研工作和获奖情况

发布时间: 2007-04-19

参考文献

• [1].网络应用程序的性能优化研究[D]. 汪钦.复旦大学2009

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• [7].网络处理器存储子系统中Cache机制的研究[D]. 刘祯.清华大学2006
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• [9].网络处理器设计的若干关键技术研究[D]. 张晓明.国防科学技术大学2006
• [10].面向多核网络处理器软件框架的研究与实现[D]. 蒋汉平.武汉理工大学2008

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