(北京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院體系結(jié)構(gòu)中心,，北京 100876)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)已成為人們低成本高效率獲取信息的平臺(tái)，隨著各站點(diǎn)訪問量和信息交流量的迅猛增長(zhǎng),，網(wǎng)絡(luò)接入邊緣的瓶頸阻塞日益嚴(yán)重,。因此，必須提高網(wǎng)絡(luò)中核心設(shè)備的性能,，以滿足網(wǎng)絡(luò)流量日益增長(zhǎng)的需要,。常見的通信網(wǎng)由電路交換系統(tǒng)和基于分組的交換系統(tǒng)構(gòu)成，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一系列小網(wǎng)絡(luò),、傳輸和終端設(shè)備組成,，網(wǎng)絡(luò)間互通性差、可管理性不強(qiáng),，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不靈活,。隨著電子商務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)和VoIP等對(duì)帶寬的要求較高的業(yè)務(wù)的出現(xiàn),，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備" title="網(wǎng)絡(luò)設(shè)備">網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更加重要,。為了滿足越來越多的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，有研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)提出采用X86+FPGA／ASIC的系統(tǒng)架構(gòu),，這種架構(gòu)帶有明顯的數(shù)據(jù)平面和控制平面相分離的特征,，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高性能目標(biāo)。但由于FPGA或ASIC技術(shù)需要很大的研發(fā)投入,，且進(jìn)行功能擴(kuò)展的性能較差,，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度很慢。因此,，這里提出在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中應(yīng)用多核" title="多核">多核多線程處理器,，繼續(xù)分離數(shù)據(jù)平面和控制平面，滿足用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)豐富和性能增長(zhǎng)同步發(fā)展的需求,。

2  框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

RMI公司的XLR系列是基于RMI增強(qiáng)型MIPS64" title="MIPS64">MIPS64內(nèi)核,，可同時(shí)支持32個(gè)線程的獨(dú)特構(gòu)架的處理器,，工作頻率達(dá)1.5 GHz，同時(shí)支持高度集成的獨(dú)立硬件安全引擎和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用加速器,。XLR系列處理器采用多核多線程技術(shù),，具有很高的數(shù)據(jù)處理能力，可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高速轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),。為了平衡高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和復(fù)雜的業(yè)務(wù)處理之間的矛盾,，本系統(tǒng)在XLR系列器件的32個(gè)線程上運(yùn)行Linux和VxWorks兩種操作系統(tǒng)，并使用VxWorks完成高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),，使用Linux進(jìn)行復(fù)雜的業(yè)務(wù)處理,。

如果Linux和VxWorks兩種操作系統(tǒng)運(yùn)行在不同的CORE上，則兩種操作系統(tǒng)不會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中斷和BUCKET等硬件資源,，但卻對(duì)業(yè)務(wù)部署帶來很大麻煩,，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的劃分粒度也很粗獷。因此,，本文提出Linux和VxWorks共CORE,，通過共享內(nèi)存區(qū)快速通信的方案，細(xì)化業(yè)務(wù)劃分粒度,，并優(yōu)化XLR器件驅(qū)動(dòng)程序框架,，充分發(fā)揮軟硬件資源優(yōu)勢(shì)，提升網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備性能,。

從硬件配置,、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、軟件結(jié)構(gòu)3個(gè)層次構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中核心設(shè)備框架,，其中硬件配置用于配置XLR器件硬件資源分布,，包括每個(gè)CORE相應(yīng)站內(nèi)的桶的深度以及GMAC／SPl4與CORE通過FMN總線通信所需的credits，以支持上層業(yè)務(wù)需要,；網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的主要作用是屏蔽操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件資源的競(jìng)爭(zhēng),，正確區(qū)分控制業(yè)務(wù)報(bào)文和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，每個(gè)網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)加速引擎將報(bào)文地址和長(zhǎng)度信息封裝成FMN消息并提交給相應(yīng)模塊進(jìn)行處理,；軟件層的主要作用是更好地利用不同操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),，分離控制平面和數(shù)據(jù)平面，實(shí)現(xiàn)兩種操作系統(tǒng)間的通信,，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)控制和高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。圖1為該網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)。



2.1硬件配置 

XLR系列處理器通過快速消息網(wǎng)絡(luò)FMN(Fast MessageNetwork)將系統(tǒng)的CPU CORE,、報(bào)文處理單元PDE,、加密單元Cypto引擎、多處理器互聯(lián)的HT接口(HyperTransport),、PCI-X等互聯(lián),。默認(rèn)情況下,，F(xiàn)MN總線上每個(gè)站內(nèi)包含8個(gè)桶，每個(gè)桶的深度為32,。每個(gè)桶都有其固定的ID,，系統(tǒng)中共有128個(gè)桶，其中CORE使用前64個(gè)桶(0～63號(hào)桶),。

為了區(qū)分控制報(bào)文信息和數(shù)據(jù)報(bào)文信息,，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)?bào)文送至正確目的地，使能每個(gè)CORE內(nèi)的0,，3,，4，7號(hào)桶,，禁用1,，2,，5,，6號(hào)桶。每個(gè)桶內(nèi)含有64個(gè)entry,。其中0號(hào)桶用于存放目的地是Linux的數(shù)據(jù)報(bào)文,，而3號(hào)桶用于存放目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報(bào)文。4號(hào)桶用于存放Linux操作系統(tǒng)發(fā)送消息后產(chǎn)生的freeback消息,，7號(hào)桶用于存放VxWorks操作系統(tǒng)發(fā)送消息后產(chǎn)生的freeback消息,。為了實(shí)現(xiàn)GMAC／SP14和CORE能夠通過FMN總線通信，必須在每個(gè)站維護(hù)一定的credits數(shù),，表1列出系統(tǒng)credits分布情況,。



2.2  網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)類型,。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中流量較小,，使用網(wǎng)絡(luò)處理器中的一個(gè)或幾個(gè)硬件線程即可滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，則可設(shè)計(jì)集中式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序,。在集中式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中,，一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)VCPU作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的代理，大部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)文由這組代理VCPU接收,、處理并轉(zhuǎn)發(fā),；如果這組代理VCPU收到控制報(bào)文，則判斷報(bào)文目的地,，并通過IPI中斷將控制報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)VCPU處理,。這種驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)徹底分離數(shù)據(jù)平面和控制平面，但其缺點(diǎn)是代理VCPU的壓力很大,，如果網(wǎng)絡(luò)流量變大,，則很可能因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)文擁塞而導(dǎo)致代理VCPU癱瘓,，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就必須重啟。為了能夠適應(yīng)更大的網(wǎng)絡(luò)流量,，這里設(shè)計(jì)分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),。分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)中，所有VCPU都會(huì)接收數(shù)據(jù)報(bào)文和控制報(bào)文,，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和轉(zhuǎn)發(fā),。分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)點(diǎn)是所有VCPU平均分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)流量，不會(huì)因?yàn)槟硯讉€(gè)VCPU癱瘓而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟,。而分布式驅(qū)動(dòng)程序使數(shù)據(jù)平面和控制平面的隔離不夠徹底,，一定程度上影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

這里的應(yīng)用場(chǎng)景為網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備,，因此網(wǎng)絡(luò)流量非常大,，可以采用分布式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。GMAC或SPI4接口收到數(shù)據(jù)后,，數(shù)據(jù)通過NA的DMA直接存入內(nèi)存區(qū),，而NA將收到報(bào)文的信息封裝成FMN消息格式送到CORE0的0號(hào)桶。在分布式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中,，所有VCPU都要相應(yīng)中斷,，中斷掩碼為0xffffffff。每個(gè)站內(nèi)的桶接收到消息會(huì)隨機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)到4個(gè)VCPU中的一個(gè),，收到中斷信號(hào)的VCPU響應(yīng)中斷到桶內(nèi)收消息,，收到消息后，判斷消息是否需其本身處理,，如果無需自己處理,，就發(fā)送IPI中斷到目的VCPU，通知目的VCPU處理該消息,。圖2為分布式驅(qū)動(dòng)程序框架,。



由于每個(gè)硬件線程都運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)，而且由于操作系統(tǒng)的差異性,，操作系統(tǒng)會(huì)競(jìng)爭(zhēng)資源,，因此必須提出一種方案，使資源競(jìng)爭(zhēng)對(duì)Linux和VxWorks操作系統(tǒng)透明,。因?yàn)橹袛嘈盘?hào)的響應(yīng)單位是CORE,，并且CORE內(nèi)4個(gè)硬件線程響應(yīng)此中斷是隨機(jī)的，所以硬件線程對(duì)中斷的競(jìng)爭(zhēng)是不可避免的,。為此,，提出通過下列方案實(shí)現(xiàn)消息發(fā)送到指定的目的地，也即保證Linux不會(huì)取走目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報(bào)文。

方案如下：①用某個(gè)GMAC網(wǎng)口接收控制消息,，用其余GMAC和SP14接口處理數(shù)據(jù)報(bào)文,；②每個(gè)CORE內(nèi)8個(gè)桶，使能4個(gè),，禁用4個(gè),。分別使能0號(hào)桶，3號(hào)桶,，4號(hào)桶,，7號(hào)桶，禁用1,，2,，5，6號(hào)桶,。每個(gè)桶內(nèi)含有64個(gè)entry,。其中0號(hào)桶用于存放目的地是Linux的數(shù)據(jù)報(bào)文，而3號(hào)桶用于存放目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報(bào)文,。4號(hào)桶用于存放Linux操作系統(tǒng)發(fā)送消息后產(chǎn)生的freeback消息,，7號(hào)桶用于存放VxWorks操作系統(tǒng)發(fā)送消息后產(chǎn)生的freeback消息；配置GMAC口NA中的pdeclass寄存器,，將所有報(bào)文發(fā)送到CORE內(nèi)的0號(hào)桶,。配置其余GMAC口和SPI4接口NA的pdeclass寄存器,，將所有報(bào)文發(fā)送到CORE內(nèi)的3號(hào)桶,。分別修改GMAC和SPl4發(fā)送函數(shù)，將FREEBACK消息目的地設(shè)定為CORE內(nèi)的4號(hào)桶和7號(hào)桶,。該方案通過優(yōu)化數(shù)據(jù)接收流程,，使資源的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)操作系統(tǒng)透明，每個(gè)操作系統(tǒng)以為自己獨(dú)享全部資源,。

由于本文的應(yīng)用環(huán)境網(wǎng)絡(luò)流量很大,，其中數(shù)據(jù)流量占到90％左右，而控制信息只占約10％,，所以在第1個(gè)CORE上,，系統(tǒng)在VCPUO上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理控制消息,；而其余3個(gè)VCPU運(yùn)行VxWorks,，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3  軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)軟件層完成操作系統(tǒng)部署方案,。XLR系列器件有8個(gè)CORE,，每個(gè)CORE內(nèi)有4個(gè)硬件線程，4個(gè)硬件線程共享一級(jí)高速緩存,、桶,、中斷等資源,。如果以CORE為單位部署操作系統(tǒng)，那么CORE內(nèi)4個(gè)硬件線程是SMP結(jié)構(gòu),，不會(huì)競(jìng)爭(zhēng)上述資源,。但按CORE部署操作系統(tǒng)是一種粗粒度的劃分，是資源利用和系統(tǒng)性能的瓶頸,。所以本文提出操作系統(tǒng)的部署以VCPU為單位,，同一個(gè)CORE內(nèi)既可有Linux也可有VxWorks。

Linux和VxWorks的優(yōu)缺點(diǎn)比較：Linux的優(yōu)點(diǎn)有,，模塊化設(shè)計(jì),，可劃分細(xì)粒度業(yè)務(wù)；無版權(quán),，免費(fèi)獲?。还δ茇S富,，可擴(kuò)展性強(qiáng),；用戶進(jìn)程地址空間獨(dú)立；網(wǎng)絡(luò)資源豐富,；系統(tǒng)穩(wěn)定性很高,。其缺點(diǎn)為自旋鎖等機(jī)制導(dǎo)致實(shí)時(shí)性下降；可能導(dǎo)致中斷丟失,；Linux系統(tǒng)管理復(fù)雜,，培訓(xùn)需要較長(zhǎng)時(shí)間。而Vx-Works的優(yōu)點(diǎn)有：實(shí)時(shí)性好,；內(nèi)存碎片少,；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易,，有Tomado開發(fā)環(huán)境,；商用操作實(shí)時(shí)系統(tǒng)，提供的資源非常適合嵌入式應(yīng)用：BSP開發(fā)非常規(guī)范,。其缺點(diǎn)為內(nèi)核保留的信息很少,，導(dǎo)致很難開發(fā)復(fù)雜業(yè)務(wù)流程；網(wǎng)絡(luò)資源很少,，技術(shù)支持只有WindRiver,；系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于開發(fā)者能力；內(nèi)核采用實(shí)存儲(chǔ)管理方式,。

為了更好的結(jié)合Linux和VxWorks兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),，這里使用Linux操作系統(tǒng)控制平面的業(yè)務(wù)處理，使用Vx-Works負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

除了資源競(jìng)爭(zhēng)帶來的問題外,，還必須實(shí)現(xiàn)兩種操作系統(tǒng)之間的通信,。由于兩種操作系統(tǒng)存在差異性，使兩者之間的交互不能通過簡(jiǎn)單進(jìn)程間通信方式FIFO,，PIPE等實(shí)現(xiàn),。為了解決兩者間的通信問題，本文提出通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)兩種操作系統(tǒng)之間通信的方案,。首先,，Linux和VxWorks將需要交互的數(shù)據(jù)放人共享內(nèi)存區(qū)，然后發(fā)送IPI中斷到目標(biāo)操作系統(tǒng),，通知目標(biāo)操作系統(tǒng)去共享內(nèi)存區(qū)取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,。實(shí)現(xiàn)步驟：①VxWorks通過TLB映射共享內(nèi)存區(qū)到虛擬地址。共享內(nèi)存區(qū)經(jīng)TLB映射后,，VxWorks操作系統(tǒng)就可讀寫該區(qū)域,。②Linux修改link腳本，在進(jìn)程運(yùn)行前預(yù)留共享內(nèi)存區(qū),。③注冊(cè)一個(gè)字符設(shè)備,，用于管理共享內(nèi)存區(qū)。修改該設(shè)備的mmap函數(shù),，該mmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存區(qū)物理地址到虛擬地址的映射,。④如果Linux用戶態(tài)進(jìn)程運(yùn)行，首先打開該字符設(shè)備,，調(diào)用mmap函數(shù)映射共享內(nèi)存區(qū),。這樣該用戶態(tài)進(jìn)程就可以操作該共享內(nèi)存區(qū)。⑤如果Linux內(nèi)核態(tài)進(jìn)程運(yùn)行,，調(diào)用iormap調(diào)用映射共享內(nèi)存區(qū)物理地址到虛擬地址,，這樣內(nèi)核態(tài)進(jìn)程就可以操作該共享內(nèi)存。通過以上5個(gè)步驟,，建立Linux和VxWorks兩種操作系統(tǒng)之間的共享內(nèi)存區(qū)。

3  性能分析

這里性能測(cè)試的目的是測(cè)試目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,，即在不丟包的前提下,，該設(shè)備所能提供的最大傳輸速率。本次測(cè)試使用兩塊XLR系列器件級(jí)聯(lián)測(cè)試此系統(tǒng)性能,，測(cè)試用兩塊器件均啟動(dòng)一個(gè)VCPU,，也即VCPU0，其上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng),，安裝netperf網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具,。其中，第1塊器件的VCPU0使用netperf發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，另一塊的VCPU0接收并處理數(shù)據(jù),。表2為測(cè)試得到的轉(zhuǎn)發(fā)速率,。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，查看得到每個(gè)VCPU的CPU占用率為60％左右,，通過優(yōu)化netperf工具,，可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)發(fā)性能。

4 結(jié)束語

本文基于多核多線程的處理器,，從硬件配置,、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序、軟件結(jié)構(gòu)3個(gè)層次構(gòu)建一套網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu),。該架構(gòu)對(duì)復(fù)雜的業(yè)務(wù)處理和高速的網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)都做了優(yōu)化處理,。給出3個(gè)層次的設(shè)計(jì)框架，并對(duì)關(guān)鍵問題提出解決方案,。根據(jù)本文得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，得出利用多核多線程處理器并優(yōu)化硬件配置，在軟件層次優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量處理流程,，細(xì)粒度化業(yè)務(wù)模型,，分離數(shù)據(jù)平面和控制平面，可以在完成復(fù)雜業(yè)務(wù)處理流程的前提下,，大大提高網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)速率,。