【摘要】：近年來,隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在成本、靈活性以及快速業(yè)務(wù)開發(fā)等方面越來越難以滿足要求。不少企業(yè),包括各種運營商和硬件提供商,開始研究并實踐網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化旨在將以往由硬件實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能,通過軟件的方式運行在通用的管理平臺上,從而帶來更低的成本和更高的管理效率。NFV在應(yīng)用過程中最大的問題是性能表現(xiàn)難以滿足要求。因此,大量工作研究如何盡可能提升網(wǎng)絡(luò)功能在通用設(shè)備上的性能。這些工作通過減少數(shù)據(jù)包在物理/虛擬網(wǎng)絡(luò)中不必要的內(nèi)存拷貝和CPU開銷,來提高網(wǎng)絡(luò)功能的吞吐量并減少延遲。而隨著單個網(wǎng)絡(luò)功能性能研究的推進,有不少工作研究網(wǎng)絡(luò)功能鏈整體性能優(yōu)化技術(shù)。面向網(wǎng)絡(luò)功能鏈的性能優(yōu)化更具有實際價值,因為企業(yè)在部署網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的時候,往往需要多個網(wǎng)絡(luò)功能共同協(xié)作,形成鏈式結(jié)構(gòu)。對于部署在多核系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)功能鏈,網(wǎng)絡(luò)管理人員往往會根據(jù)具體的業(yè)務(wù)性能要求,為網(wǎng)絡(luò)功能鏈分配相應(yīng)的CPU資源并進行合理的部署。但是存在一些網(wǎng)絡(luò)功能鏈,無論網(wǎng)絡(luò)管理人員如何部署調(diào)優(yōu),都無法充分地利用CPU資源,進而無法表現(xiàn)出很好的吞吐量。這類網(wǎng)絡(luò)功能鏈的特點是,鏈上的不同網(wǎng)絡(luò)功能之間處理數(shù)據(jù)包的時間相差比較大,并且每個網(wǎng)絡(luò)功能運行在單獨的線程(操作系統(tǒng)的最小調(diào)度實體)中。在這種情況下,處理時間較長的網(wǎng)絡(luò)功能會主導(dǎo)整一條鏈的性能,而由于單線程最多在一個CPU核心上運行,主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)功能也最多只有一個CPU核心的處理能力,這會導(dǎo)致整一條鏈的性能出現(xiàn)瓶頸。為了避免這種瓶頸,我們需要將網(wǎng)絡(luò)功能運行在多個線程中,以提升單個網(wǎng)絡(luò)功能的處理能力。一種處理方式是在每個線程中并行執(zhí)行同一份邏輯代碼,但是對網(wǎng)絡(luò)功能鏈來說,這種并行的處理方式由于沒有考慮數(shù)據(jù)包之間的順序依賴,會引入正確性、通用性和性能方面等諸多問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)功能鏈部署的瓶頸問題同時避免引入其他問題,本文提出按處理時間分割網(wǎng)絡(luò)功能的思路。具體來說,我們將網(wǎng)絡(luò)功能根據(jù)數(shù)據(jù)包處理流程分成幾個階段,每個階段分別在一個線程中運行。任意一個數(shù)據(jù)包的處理都要按順序經(jīng)過這幾個線程,使得每個線程的處理時間大體相同,并最終得到與單線程方式相同的結(jié)果。我們用代碼分割的方式來實現(xiàn)上述的思路,主要的做法是用代碼運行的指令條數(shù)來近似地代替處理時間的長短,通過分割不同的代碼到不同的線程中來實現(xiàn)按處理時間分割的思想。代碼分割在具體實施的時候存在兩個難點,第一,分割后的代碼可能存在各種需要在線程之間傳輸?shù)呐R時變量,這會增加額外的代碼工作量,產(chǎn)生巨大的人力開銷,同時大量的變量傳輸也會引起性能上的不穩(wěn)定;第二,代碼運行過程中執(zhí)行的指令條數(shù)與多種因素相關(guān),依靠人腦很難精細化地分割代碼,而粗略的劃分可能導(dǎo)致某一部分處理的時間太長,進而讓整條鏈產(chǎn)生性能瓶頸。為了解決這兩個難點,我們設(shè)計了類似協(xié)程的機制來解決臨時變量的傳遞問題,同時基于中間描述語言LLVM/Clang實現(xiàn)了自動化的代碼分割工具。借助于我們設(shè)計的系統(tǒng)ChainSplit,部署人員可以很方便地對VNF鏈進行代碼分割與部署。我們的實驗表明,對于處理時間各異的VNF鏈,ChainSplit可以一直保持較高的性能;對于其中一些存在瓶頸的VNF鏈,ChainSplit相比普通的部署方式在多核情況下至少提升60%的吞吐量;在性能擴展性方面,ChainSplit可以讓VNF鏈的性能隨著分配CPU資源的增加而增加,最好情況下能夠隨著CPU核數(shù)增多而接近線性地提高其吞吐量。
【圖文】：

１．１研究背景逡逑近年來，隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在成逡逑、靈活性以及快速業(yè)務(wù)開發(fā)等方面越來越難以滿足要求。不少企業(yè)，包括各逡逑運營商和硬件提供商，開始研宄并實踐網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑ｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＮＦＶ［１］）。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的概念，其逡逑主要的思想，是將原本在專用硬件上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能，用虛擬化等方式運行逡逑通用設(shè)備（例如ｘ８６設(shè)備）上。所謂的網(wǎng)絡(luò)功能，指的是在網(wǎng)絡(luò)上運行的中逡逑間件，例如入侵防御系統(tǒng)（ＩＰＳ）、防火墻、ＮＡＴ等，數(shù)據(jù)包在端到端傳輸時逡逑經(jīng)過這些中間件。對于企業(yè)用戶來說，由于數(shù)據(jù)中心傳輸和用戶量的關(guān)系，逡逑往這些網(wǎng)絡(luò)功能需要承載的流量非常大，對延遲的要求也很高。出于性能的逡逑慮，企業(yè)用戶一般會采用硬件實現(xiàn)加軟件配置的方式部署他們需要的網(wǎng)絡(luò)功逡逑。例如他們會采用華為的ＭＥ６０系列多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)［２］，并在上面用軟件配置自逡逑己需要的網(wǎng)絡(luò)功能。逡逑

第一章緒用的管理平臺上，這種管理平臺可能是虛擬機［３］、容器［４］，或者一些新的架構(gòu)［５］［６］，但不管怎樣，這種管理平臺都會運行在一些便宜的通用設(shè)備（例如ｘ８６設(shè)備）。從收益方面來看，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的一個最直接的收益減少設(shè)備成本。除此之外，虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能管理起來更加方便，不需要都配備人力去配置機器，人力成本也會大幅減少；當網(wǎng)絡(luò)功能需要啟動、閉、備份或者擴容的時候，虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能管理起來更加靈活；由于不需次拓展新業(yè)務(wù)都設(shè)計新的硬件，新業(yè)務(wù)的迭代周期將大幅縮短。逡逑為了簡化起見，我們接下來把虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能稱為虛擬網(wǎng)絡(luò)功（ＶｉｒｔｕａｌｉｚｅｄＮｅｔｗｏｒｋ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＶＮＦ）。一＇般來說，ＶＮＦ在部署的時候是以鏈結(jié)構(gòu)存在的。這主要有兩種場景，一是對于公司的某些業(yè)務(wù)來說，，一個ＶＮＦ往沒辦法滿足要求，需要多個ＶＮＦ對數(shù)據(jù)包連續(xù)進行處理；二是即便對同一ＶＮＦ，處理數(shù)據(jù)包的時候往往也需要分不同階段進行處理。逡逑￣￣￣
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP393.01

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本文編號：2656943