采用多核处理器的报文转发自适应系统和方法技术方案

一种在不增加成本的情况下能提升系统转发业务数据的处理能力和业务扩展能力的采用多核处理器的报文转发自适应系统和方法。其包括具有M个核的多核处理器，该系统包括控制管理子系统和数据转发子系统，其中，控制管理子系统运行在多核处理器中预设的一个核上，其由自适应控制单元、系统状态管理维护单元、转发业务表项管理单元组成；数据转发子系统运行在除控制管理子系统占用的核之外的其它核之上，其由自适应执行单元、基础业务数据转发单元和增强业务数据转发单元组成。本发明专利技术通过控制管理子系统的自适应控制单元实现数据转发子系统的业务与线程的自适应绑定，其能灵活调配系统资源，灵活扩展业务范围和提升转发吞吐量业务数据的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及网络通信技术，具体而言，涉及一种基于多核架构的报文转发自适应方法和一种基于多核架构的报文转发自适应系统。
技术介绍
光纤技术的发展带来了网络带宽指数化增长，信息业务多样化、实时、高速传输，网络威胁日益严峻，对报文转发系统的稳定性、高性能、业务复杂度都提出了更大挑战。在过去，CPU的频率每18个月就提高一倍，但是这个规律在2004年以后已经失效，CPU的制造工艺遇到了瓶颈。人们又转向通过增加处理器的个数来提高处理能力。多核处理器是通过在一个芯片上集成了多个处理器核来达到更高更快的处理能力。多核处理器的处理能力跟处理器核个数的关系不是线性的关系，如何充分利用若干个核的处理能力，是基于多核处理器的设备在设计时考虑的重要议题。现有技术中，采取多核架构的报文转发系统提供了两种技术方案来发挥多核处理器并行处理能力，但都存在一些问题：1、业务流水线模式(参见图1)：将报文转发的业务功能划分为多级流水线任务，每个微处理器负责一级流水线，通过串行化调度微处理器完成业务。也就是说，从报文接收到最终转发，这个报文被多个微处理器依次处理。主要缺陷是：对于同级流水线，不同业务对应的流水线长度不同，极易导致该级流水线对应的微处理器负载不均衡，进而降低流水线效率(比如IP转发与MPLS转发这两个业务对于转发表项查找的平均指令周期个数的比例要大小50：1。对于执行转发表项查找的微处理器来说，在处理IP报文转发业务的时候，微处理器线程利用率大大降低)；复杂业务(例如IPv6过渡技术)有很多跳转、回溯直接导致流水线设计难度增加，进而导致开发周期变长；业务扩展性差，每增加一个业务，流水线必须重新划分、级别需重新调整。2、报文并发模式(参见图2)：采取轮询方式将报文分发给不同的微处理器，利用微处理器并发执行的特点，来提高吞吐量。主要缺陷是：对于一些需要串行化处理的任务必须通过加锁来完成，这样会形成多核处理器之间的竞争，导致转发性能降低，因此可以说报文并发模式限制了串行业务的扩展。从上述分析可以看到，当多核处理器的核个数为一定时，现有的技术方案不能同时解决转发性能高效和复杂业务灵活扩展性问题。设备在设计的时候，无法预测到用户环境可能会使用的业务，为了保证广泛的适应性，必须支持全部的业务处理(即使有些业务在部分用户环境下不需要使用)，这必然会牺牲部分处理性能。简单增加处理器核的个数，可以提升性能，但也同时带来了产品硬件成本增加，业务重新分布，程序重新设计，产品开发周期变长等一系列问题。为同时支持基础业务、复杂业务，现有技术有以下两种处理方法：1、根据业务来划分网络设备，让完成不同业务的网络设备连接在一起，这些设备共同实现基础、复杂业务。一个典型的例子是：网络划分为接入网设备、核心网设备、防火墙设备等。让接入网设备只完成最基本的转发业务，让核心网设备实现QoS复杂业务，让防火墙设备实现安全防护复杂业务。2、用软件来实现基础业务，用硬件专用芯片来实现复杂业务。一个典型的例子是：用多核处理器编程实现基础转发业务软件系统，并增加一个专门处理QoS业务的ASIC芯片或FPGA。由此可见，现有技术是采用简单堆叠硬件系统资源来实现基础业务数据和增强业务数据的转发功能，极大地增加了系统研发成本和开发周期。术语说明：多核处理器：由多个核组成，M核处理器指的是核的个数是M个，微处理器核依次是核“0”、核“1”...核“M-1”；线程：一个核由多个线程组成，这里需强调的是本文所述的线程都是这种硬件线程，而非操作系统所指的软线程。对多核处理器来说，每个核的线程个数是相同的。一个多核处理器总的线程个数用N来表示，线程依次是线程0、线程1、...线程N-1；L2～L4：网络分层，这里指的是IP网络的第二层～第四层。Mpps：报文转发性能度量单位，指的是1秒内转发多少M(兆，10^6)个报文。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种在不增加成本的情况下能提升系统转发业务数据的处理能力和业务扩展能力的采用多核处理器的报文转发自适应系统和方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术的采用多核处理器的报文转发自适应系统，包括具有M个核的多核处理器，该系统包括控制管理子系统和数据转发子系统，其中，1)控制管理子系统负责对处理速度要求不高但逻辑关系比较复杂的包含系统运行及通信状态管理维护、机箱状态管理维护、转发数据信息库管理在内的基础业务数据进行处理；该子系统运行在所述多核处理器中预设的一个核上的若干个硬件线程上，其由自适应控制单元、系统状态管理维护单元、转发业务表项管理单元组成；所述自适应控制单元分别通过自适应开关控制接口与系统状态管理维护单元相接，通过自适应业务配置接口与转发业务表项管理单元相接，通过自适应业务状态查询接口与所述的数据转发子系统相接，系统状态管理维护单元与外部用户相接；自适应开关控制接口，将用户请求重新配置的相关信息送至系统状态管理维护单元；自适应业务配置接口，当记载在转发业务表项管理单元中的某类业务总的使能状态发生改变时，会触发该接口向自适应控制单元发送一个业务切换请求信息；自适应业务状态查询接口，将由数据转发子系统获取的与所述业务切换请求信息对应的当前业务的执行状态信息送至自适应控制单元，继而由自适应控制单元做出是否切换业务的决策并在需要切换业务时向数据转发子系统发出执行动作的指令；2)数据转发子系统完成基础业务数据转发和增强业务数据转发；其运行在所述多核处理器中除所述控制管理子系统占用的核之外的其它核之上的硬件线程上，该子系统由自适应执行单元、基础业务数据转发单元和增强业务数据转发单元组成；增强业务数据转发单元运行在所述多核处理器中所述其它核的一个核之上，基础业务数据转发单元和自适应执行单元运行在所述多核处理器中所述其它核的其余核之上；自适应执行单元，接收所述自适应控制单元发送的执行动作指令，并将其作用于增强业务数据转发单元实现对所述增强业务数据和基础业务数据的配置；基础业务数据转发单元，对处于链路层、网络层和应用层中的各类报文进行数据转发并通过状态机灵活实现所述报文的流程处理点跳转与回溯；增强业务数据转发单元，通过自适应执行单元完成对包含QoS、BFD、Netflow在内的增强业务数据的配置和对基础业务数据的配置。所述控制管理子系统运行在所述多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用多核处理器的报文转发自适应系统，包括具有M个核的多核处理器，其特征在于：该系统包括控制管理子系统和数据转发子系统，其中，1)控制管理子系统负责对处理速度要求不高但逻辑关系比较复杂的包含系统运行及通信状态管理维护、机箱状态管理维护、转发数据信息库管理在内的基础业务数据进行处理；该子系统运行在所述多核处理器中预设的一个核上的若干个硬件线程上，其由自适应控制单元、系统状态管理维护单元、转发业务表项管理单元组成；所述自适应控制单元分别通过自适应开关控制接口与系统状态管理维护单元相接，通过自适应业务配置接口与转发业务表项管理单元相接，通过自适应业务状态查询接口与所述的数据转发子系统相接，系统状态管理维护单元与外部用户相接；自适应开关控制接口，将用户请求重新配置的相关信息送至系统状态管理维护单元；自适应业务配置接口，当记载在转发业务表项管理单元中的某类业务总的使能状态发生改变时，会触发该接口向自适应控制单元发送一个业务切换请求信息；自适应业务状态查询接口，将由数据转发子系统获取的与所述业务切换请求信息对应的当前业务的执行状态信息送至自适应控制单元，继而由自适应控制单元做出是否切换业务的决策并在需要切换业务时向数据转发子系统发出执行动作的指令；2)数据转发子系统完成基础业务数据转发和增强业务数据转发；其运行在所述多核处理器中除所述控制管理子系统占用的核之外的其它核之上的硬件线程上，该子系统由自适应执行单元、基础业务数据转发单元和增强业务数据转发单元组成；增强业务数据转发单元运行在所述多核处理器中所述其它核的一个核之上，基础业务数据转发单元和自适应执行单元运行在所述多核处理器中所述其它核的其余核之上；自适应执行单元，接收所述自适应控制单元发送的执行动作指令，并将其作用于增强业务数据转发单元实现对所述增强业务数据和基础业务数据的配置；基础业务数据转发单元，对处于链路层、网络层和应用层中的各类报文进行数据转发并通过状态机灵活实现所述报文的流程处理点跳转与回溯；增强业务数据转发单元，通过自适应执行单元完成对包含QoS、BFD、Netflow在内的增强业务数据的配置和对基础业务数据的配置。...

【技术特征摘要】
1.一种采用多核处理器的报文转发自适应系统，包括具有M个核的多核处
理器，其特征在于：该系统包括控制管理子系统和数据转发子系统，其中，
1)控制管理子系统负责对处理速度要求不高但逻辑关系比较复杂的包含系
统运行及通信状态管理维护、机箱状态管理维护、转发数据信息库管理在内的
基础业务数据进行处理；该子系统运行在所述多核处理器中预设的一个核上的
若干个硬件线程上，其由自适应控制单元、系统状态管理维护单元、转发业务
表项管理单元组成；所述自适应控制单元分别通过自适应开关控制接口与系统
状态管理维护单元相接，通过自适应业务配置接口与转发业务表项管理单元相
接，通过自适应业务状态查询接口与所述的数据转发子系统相接，系统状态管
理维护单元与外部用户相接；
自适应开关控制接口，将用户请求重新配置的相关信息送至系统状态管理
维护单元；
自适应业务配置接口，当记载在转发业务表项管理单元中的某类业务总的
使能状态发生改变时，会触发该接口向自适应控制单元发送一个业务切换请求
信息；
自适应业务状态查询接口，将由数据转发子系统获取的与所述业务切换请
求信息对应的当前业务的执行状态信息送至自适应控制单元，继而由自适应控
制单元做出是否切换业务的决策并在需要切换业务时向数据转发子系统发出执
行动作的指令；
2)数据转发子系统完成基础业务数据转发和增强业务数据转发；其运行在

\t所述多核处理器中除所述控制管理子系统占用的核之外的其它核之上的硬件线
程上，该子系统由自适应执行单元、基础业务数据转发单元和增强业务数据转
发单元组成；增强业务数据转发单元运行在所述多核处理器中所述其它核的一
个核之上，基础业务数据转发单元和自适应执行单元运行在所述多核处理器中
所述其它核的其余核之上；
自适应执行单元，接收所述自适应控制单元发送的执行动作指令，并将其
作用于增强业务数据转发单元实现对所述增强业务数据和基础业务数据的配
置；
基础业务数据转发单元，对处于链路层、网络层和应用层中的各类报文进
行数据转发并通过状态机灵活实现所述报文的流程处理点跳转与回溯；
增强业务数据转发单元，通过自适应执行单元完成对包含QoS、BFD、Netflow
在内的增强业务数据的配置和对基础业务数据的配置。
2.根据权利要求1所述的采用多核处理器的报文转发自适应系统，其特征
在于：所述控制管理子系统运行在所述多核处理器中的核“0”之上；所述数据
转发子系统运行在所述多核处理器中的核“1”至核“M－1”上，其中，基础业
务数据转发单元和自适应执行单元运行在多核处理器的核“1”至核“M－2”之
上，增强业务数据转发单元运行在多核处理器的核“M－1”之上。
3.根据权利要求2所述的采用多核处理器的报文转发自适应系统，其特征
在于：所述基础业务数据转发单元由报文收发模块、上行处理流程模块与下行
处理流程模块构成，所述报文收发模块包括报文接收、队列管理及报文发送模
组；所属上行处理流程模块包括报文分发、报文分类和路由表项查找、状态机
模组；所述下行处理模块包括报文分类、分组修改模组。
4.根据权利要求2所述的采用多核处理器的报文转发自适应系统，其特征
在于：所述增强业务数据转发单元包括QoS数据处理模块、BFD数据处理模块、
Netflows数据处理模块和安全防护处理模块。
5.根据权利要求2所述的采用多核处理器的报文转发自适应系统，其特征
在于：所述的QoS业务运行于至少两个线程之上；所述的BFD、Netflows和安
全防护业务共享一个线程。
6.根据权利要求1所述的采用多核处理器的报文转发自适应系统，其特征
在于：所述的控制管理子系统采用Linux操作系统。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：田艳，刘赫，李晓波，秦骏，
申请(专利权)人：深圳市风云实业有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44