(北京郵電大學(xué) 計算機(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，隨著各站點訪問量和信息交流量的迅猛增長，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等對帶寬的要求較高的業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，設(shè)計并實現(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，滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)豐富和性能增長同步發(fā)展的需求。

2  框架設(shè)計及實現(xiàn)

RMI公司的XLR系列是基于RMI增強(qiáng)型MIPS64" title="MIPS64">MIPS64內(nèi)核，可同時支持32個線程的獨特構(gòu)架的處理器，工作頻率達(dá)1.5 GHz，同時支持高度集成的獨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個線程上運行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)運行在不同的CORE上，則兩種操作系統(tǒng)不會競爭中斷和BUCKET等硬件資源，但卻對業(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)動程序框架，充分發(fā)揮軟硬件資源優(yōu)勢，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、軟件結(jié)構(gòu)3個層次構(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)動的主要作用是屏蔽操作系統(tǒng)對底層硬件資源的競爭，正確區(qū)分控制業(yè)務(wù)報文和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文，每個網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)加速引擎將報文地址和長度信息封裝成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，分離控制平面和數(shù)據(jù)平面，實現(xiàn)兩種操作系統(tǒng)間的通信，以實現(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總線上每個站內(nèi)包含8個桶，每個桶的深度為32。每個桶都有其固定的ID，系統(tǒng)中共有128個桶，其中CORE使用前64個桶(0～63號桶)。

為了區(qū)分控制報文信息和數(shù)據(jù)報文信息，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序?qū)笪乃椭琳_目的地，使能每個CORE內(nèi)的0，3，4，7號桶，禁用1，2，5，6號桶。每個桶內(nèi)含有64個entry。其中0號桶用于存放目的地是Linux的數(shù)據(jù)報文，而3號桶用于存放目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報文。4號桶用于存放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。為了實現(xiàn)GMAC／SP14和CORE能夠通過FMN總線通信，必須在每個站維護(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

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可設(shè)計不同的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動類型。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中流量較小，使用網(wǎng)絡(luò)處理器中的一個或幾個硬件線程即可滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，則可設(shè)計集中式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。在集中式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中，一個或少數(shù)幾個VCPU作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的代理，大部分?jǐn)?shù)據(jù)報文由這組代理VCPU接收、處理并轉(zhuǎn)發(fā)；如果這組代理VCPU收到控制報文，則判斷報文目的地，并通過IPI中斷將控制報文轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)VCPU處理。這種驅(qū)動程序設(shè)計徹底分離數(shù)據(jù)平面和控制平面，但其缺點是代理VCPU的壓力很大，如果網(wǎng)絡(luò)流量變大，則很可能因為數(shù)據(jù)報文擁塞而導(dǎo)致代理VCPU癱瘓，這時整個系統(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)計分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動中，所有VCPU都會接收數(shù)據(jù)報文和控制報文，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。分布式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的優(yōu)點是所有VCPU平均分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)流量，不會因為某幾個VCPU癱瘓而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟。而分布式驅(qū)動程序使數(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)動程序設(shè)計。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將收到報文的信息封裝成FMN消息格式送到CORE0的0號桶。在分布式驅(qū)動程序設(shè)計中，所有VCPU都要相應(yīng)中斷，中斷掩碼為0xffffffff。每個站內(nèi)的桶接收到消息會隨機(jī)發(fā)送中斷信號到4個VCPU中的一個，收到中斷信號的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)動程序框架。



由于每個硬件線程都運行獨立的操作系統(tǒng)，而且由于操作系統(tǒng)的差異性，操作系統(tǒng)會競爭資源，因此必須提出一種方案，使資源競爭對Linux和VxWorks操作系統(tǒng)透明。因為中斷信號的響應(yīng)單位是CORE，并且CORE內(nèi)4個硬件線程響應(yīng)此中斷是隨機(jī)的，所以硬件線程對中斷的競爭是不可避免的。為此，提出通過下列方案實現(xiàn)消息發(fā)送到指定的目的地，也即保證Linux不會取走目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報文。

方案如下：①用某個GMAC網(wǎng)口接收控制消息，用其余GMAC和SP14接口處理數(shù)據(jù)報文；②每個CORE內(nèi)8個桶，使能4個，禁用4個。分別使能0號桶，3號桶，4號桶，7號桶，禁用1，2，5，6號桶。每個桶內(nèi)含有64個entry。其中0號桶用于存放目的地是Linux的數(shù)據(jù)報文，而3號桶用于存放目的地是VxWorks的數(shù)據(jù)報文。4號桶用于存放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，將所有報文發(fā)送到CORE內(nèi)的0號桶。配置其余GMAC口和SPI4接口NA的pdeclass寄存器，將所有報文發(fā)送到CORE內(nèi)的3號桶。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號桶和7號桶。該方案通過優(yōu)化數(shù)據(jù)接收流程，使資源的競爭對操作系統(tǒng)透明，每個操作系統(tǒng)以為自己獨享全部資源。

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CORE上，系統(tǒng)在VCPUO上運行Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理控制消息；而其余3個VCPU運行VxWorks，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報文的轉(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CORE，每個CORE內(nèi)有4個硬件線程，4個硬件線程共享一級高速緩存、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個硬件線程是SMP結(jié)構(gòu)，不會競爭上述資源。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CORE內(nèi)既可有Linux也可有VxWorks。

Linux和VxWorks的優(yōu)缺點比較：Linux的優(yōu)點有，模塊化設(shè)計，可劃分細(xì)粒度業(yè)務(wù)；無版權(quán)，免費獲取；功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)；用戶進(jìn)程地址空間獨立；網(wǎng)絡(luò)資源豐富；系統(tǒng)穩(wěn)定性很高。其缺點為自旋鎖等機(jī)制導(dǎo)致實時性下降；可能導(dǎo)致中斷丟失；Linux系統(tǒng)管理復(fù)雜，培訓(xùn)需要較長時間。而Vx-Works的優(yōu)點有：實時性好；內(nèi)存碎片少；系統(tǒng)簡單，調(diào)試容易，有Tomado開發(fā)環(huán)境；商用操作實時系統(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)核采用實存儲管理方式。

為了更好的結(jié)合Linux和VxWorks兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)點，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)。

除了資源競爭帶來的問題外，還必須實現(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單進(jìn)程間通信方式FIFO，PIPE等實現(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)程運行前預(yù)留共享內(nèi)存區(qū)。③注冊一個字符設(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

這里性能測試的目的是測試目標(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。本次測試使用兩塊XLR系列器件級聯(lián)測試此系統(tǒng)性能，測試用兩塊器件均啟動一個VCPU，也即VCPU0，其上運行Linux操作系統(tǒng)，安裝netperf網(wǎng)絡(luò)性能測試工具。其中，第1塊器件的VCPU0使用netperf發(fā)送數(shù)據(jù)報文，另一塊的VCPU0接收并處理數(shù)據(jù)。表2為測試得到的轉(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)動程序、軟件結(jié)構(gòu)3個層次構(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個層次的設(shè)計框架，并對關(guān)鍵問題提出解決方案。根據(jù)本文得到的實驗數(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。