面向集群计算的专用模块控制程序设计

论文摘要

在密码服务系统中采用集群架构,多个专用模块并行工作可提高密码服务系统的吞吐率,增强密码服务系统的可扩展性和可用性。本文研究可集群的专用模块控制程序的实现方法。本文针对专用系统的应用需求,结合专用系统的封闭性和硬件平台的可定制性等特征,提出了基于MAC包,并直接切入网卡驱动程序进行通信的自定义协议。通过修改MPC8347内核源代码及网卡驱动程序,在内核态中定义截包回调函数,并在中断服务程序中调用此回调函数,将数据包转给自定义协议处理模块。自定义协议提供基于网卡驱动程序底层切入的系统调用,调度程序可通过系统调用跳过协议栈直接进行数据包的收发,避免了协议栈处理带来的效率损耗。在对加密算法的工作模式进行分析的基础上,对作业切分的可行性进行研究,提出集中的作业调度策略,提高了密码服务系统的吞吐率。针对进程迁移实现复杂、开销大的问题,提出基于加密请求迁移的负载迁移策略。为避免应用态和核心态切换以及数据拷贝带来的效率损耗,控制程序运行在内核态,提高了控制程序的运行效率。自定义协议和控制程序提供了良好的可扩展性。该方案已成功实施,相关研究成果已应用于具体工程实践。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 论文背景和意义

1.2 论文工作

1.3 论文结构

第二章相关技术简介

2.1 密码学技术

2.1.1 对称密码技术

2.1.2 公钥密码技术

2.1.3 HASH函数

2.1.4 数字签名技术

2.2 集群系统技术

2.2.1 集群系统概述

2.2.2 集群系统的关键技术

2.2.3 集群系统的发展现状

第三章专用模块的系统设计

3.1 专用模块的研制目标

3.2 系统架构

3.3 硬件组成

3.3.1 选型要求

3.3.2 主流嵌入式处理器及开发系统对比

3.3.3 选型结果

3.4 软件架构

3.4.1 软件环境

3.4.2 控制程序功能设计

第四章基于MAC包的自定义通信协议

4.1 背景知识

4.1.1 Linux内核协议栈架构概述

4.1.2 MPC8347 网卡驱动程序收发包流程

4.1.3 Linux内核数据链路层收包流程

4.1.4 Linux内核数据链路层发包流程

4.1.5 Linux内核软中断机制分析

4.1.6 Linux进程通信机制分析

4.2 基于MAC包的自定义通信协议

4.2.1 自定义通信协议

4.2.2 数据包格式

4.2.3 协议收包流程

4.2.4 协议发包流程

4.2.5 确认及重发机制

4.2.6 协议对调度程序的通知

4.3 系统调用

4.3.1 系统调用实现技术分析

4.3.2 建立连接

4.3.3 关闭连接

4.3.4 发送数据包

4.3.5 接收数据包

4.3.6 获取连接状态

4.3.7 获取网络设备列表

4.3.8 设置网络设备

4.3.9 对主控机通信性能提升的考虑

第五章控制程序设计与实现

5.1 面向集群计算的控制程序架构设计

5.1.1 加密作业的切分分析

5.1.2 主控机作业调度策略

5.1.3 作业的迁移策略

5.1.4 控制程序架构

5.2 请求调度模块

5.2.1 请求调度模块设计

5.2.2 请求调度模块实现

5.3 访问控制模块

5.3.1 访问控制模块设计

5.3.2 访问控制模块实现

5.4 密钥管理模块

5.4.1 密钥管理模块功能

5.4.2 密钥管理模块设计

5.5 算法管理模块

5.5.1 算法管理模块设计

5.5.2 命令码映射机制

5.5.3 算法管理模块实现

5.5.4 对扩展性的考虑

5.6 算法模块

5.6.1 算法模块结构设计

5.6.2 算法代理

5.6.3 算法的安装和卸载

5.6.4 算法模块示例

5.7 控制管理模块

5.7.1 控制管理模块设计

5.7.2 控制管理模块实现

5.8 控制模块

5.8.1 控制模块结构设计与实现

5.8.2 控制模块示例

第六章性能测试

6.1 单向通信性能测试

6.1.1 MAC协议单向通信性能测试

6.1.2 TCP协议单向通信性能测试

6.2 数据包转发性能测试

6.2.1 MAC协议转发性能测试

6.2.2 TCP协议转发性能测试

6.3 简单数据加密性能测试

6.3.1 MAC协议内核态控制程序性能测试

6.3.2 TCP协议控制程序性能测试

6.4 测试结果分析

第七章论文总结

7.1 主要研究成果

7.2 下一步的工作

致谢

参考文献

个人研究成果

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