基于零拷贝的Web服务器技术研究

论文摘要

随着现代通信技术的发展,Web系统应用领域越来越广泛,其在传播信息的范围和数量上都呈现出指数级增长。Web服务器作为Web系统信息发布、处理的关键性节点,比以往要承载更多的流量负载,然而传统的Web服务器在数据传输、吞吐量、响应速度等方面存在着性能瓶颈。解决这些瓶颈问题,提高Web服务器性能,是Web系统的重中之重。随着高速网络链路技术和软硬件技术的发展,带宽、内存、硬盘性能、CPU性能等已不再是影响Web服务器性能的主要问题,信息传输更加关注数据从主机或其他设备到网络接口的有效移动。因此,本文从加快数据包收发速率、减少通信数据的中间拷贝过程方面解决Web服务器瓶颈问题,其主要工作如下:1.研究了改进Web服务器性能的关键技术。采用类似零拷贝的PFRING技术并结合网卡NAPI工作机制,可以有效提高数据包收发速率;DMA模式的数据拷贝可以减少CPU参与;MMAP机制可以减少内存拷贝,节省系统时间和空间资源;从链路层到应用层跨层、串行分析数据包,各层协议之间直接传递数据指针,不进行出入队列的操作和数据拷贝,可以加速数据包处理速度。2.将调研的关键技术进行实践,实现了轻量级的高性能Web服务器原型系统-FastMattows。FastMattows运行在加载PFRING模块的Linux内核上,结合网卡NAPI机制,加快了数据包捕捉速度;通过修改的PFRING Socket接口,采用DMA方式将整个数据包存储在PFRING环状缓存中,采用MMAP方式访问缓存数据,减少了CPU参与和内存拷贝;数据包拆分和封装过程,改进了传统的协议栈,减少了各层协议之间数据拷贝和出入队列操作,加快了数据包处理速度。论文的后半部分,对FastMattows进行了性能分析和模拟实验,并对本文的研究进行了总结,指出了下一步的工作计划。综上所述,本文研究了改进Web服务器性能瓶颈的几种方法,并实现了高性能Web服务器原型系统FastMattows,为进一步研究实用性强、功能丰富的Web服务器性能打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 Web 服务器简介
• 1.2 Web 服务器工作原理及存在问题
• 1.3 Web 服务器性能瓶颈国内外研究现状
• 1.4 课题的提出及论文的组织结构
• 2 Web 服务器改进技术研究
• 2.1 零拷贝技术
• 2.2 网卡NAPI 机制
• 2.3 DMA 与MMAP 工作原理
• RING 工作机制'>2.4 PF_RING 工作机制
• RING 工作原理'>2.4.1 PF_RING 工作原理
• RING 实现'>2.4.2 PF_RING 实现
• RING 应用编程接口'>2.4.3 PF_RING 应用编程接口
• 2.5 Web 服务器相关的网络协议栈研究
• 2.5.1 HTTP 协议研究
• 2.5.2 CGI 工作原理
• 2.5.3 TCP/IP 协议研究
• 2.6 本章小结
• 3 FastMattows 设计
• 3.1 FastMattows 需求与开发平台选型
• 3.2 FastMattows 系统总体设计
• 3.3 FastMattows 模块结构
• 3.4 FastMattows 工作流程
• 3.5 本章小结
• 4 FastMattows 实现
• RING 模块加载与修改'>4.1 PF_RING 模块加载与修改
• 4.2 FastMattows 协议实现
• 4.2.1 HTTP 协议实现
• 4.2.2 TCP/IP 协议和数据链路层功能实现
• 4.3 Socket 接口函数实现
• 4.4 CGI 功能实现
• 4.5 本章小结
• 5 FastMattows 性能分析与模拟实验
• 5.1 FastMattows 性能分析
• 5.2 FastMattows 性能模拟实验
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 进一步研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间的主要成果