多核网络设备的I/O虚拟化及相关业务的设计与实现

论文摘要

随着硬件技术、服务器技术、业务处理需求的发展,网络设备的处理能力得到了大幅提高,并且也得到了越来越广泛的应用。多核网络设备的出现,使得硬件的处理能力得到成倍的增长,而硬件成本也相应的提高。虚拟化技术作为一种能大幅提高硬件使用率和用户使用效率并能向云计算提供基础服务的计算机前沿技术,已经越来越受到大型企业的重视。多核网络设备的虚拟化技术是针对大型路由器、交换机的使用需求所提出的技术,本文实现了基于底层设备的MIPS硬件架构和上层xorp/click的软路由方案,针对底层多核设备虚拟化时,多虚拟机多业务的多数据流处理的I/O虚拟化技术方案的设计与实现,并在此基础上,实现了基于I/O数据流的FEC视频修复业务和WEB防火墙业务。多数据流分流技术是I/O虚拟化技术中的核心部分之一,通过对I/O端口的虚拟化达到多虚拟机多业务共用端口。本技术是对传统多数据输入端口多数据输出端口的创新,很好的与其他虚拟化技术相结合,并且减少了对于硬件的要求,使得建立虚拟机的数量不受I/O端口数量的限制。首先,本文介绍了虚拟化技术的相关概念,对于CPU虚拟化技术、内存虚拟化技术和I/O虚拟化技术分别进行了相关介绍,还介绍了底层设备的MIPS架构,对于数据流的处理过程进行了介绍。然后,本文对于项目中整体虚拟化方案进行了分析,得出了I/O虚拟化的实现方案的选择,结合cavium开发硬件完成对数据流的高效分流和处理流程,其中还包括结合数据流的处理的FEC视频修复业务和WEB防火墙业务的详细设计与实现方案。多核网络设备的I/O虚拟化以及相关数据流业务的实现,提出了一种结合CPU虚拟化和内存虚拟化,更加高效的利用I/O端口的速率和硬件设备的数据流处理流程。FEC视频修复业务和WEB防火墙业务的实现和运行,证明了此方案数据分流的高效性和对于硬件的高结合性,能够在合理使用硬件的基础上,达到系统需求。最后进行了I/O虚拟化与业务结合的测试工作,给出了测试相关报告。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景介绍和意义
• 1.2 课题来源
• 1.3 作者工作
• 1.4 本文的章节结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 相关技术概述
• 2.1 虚拟化技术
• 2.1.1 虚拟化技术概要
• 2.1.2 全虚拟化与半虚拟化
• 2.1.3 虚拟化技术实现的重难点
• 2.2 MIPS体系结构
• 2.3 前向纠错（FEC）视频修复技术
• 2.4 RTP协议
• 2.5 WEB防火墙技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 多核网络设备虚拟化系统设计
• 3.1 多核网络设备虚拟化系统软硬件体系架构
• 3.1.1 功能特性
• 3.1.2 软件体系架构设计约束
• 3.1.3 硬件体系架构设计约束
• 3.1.4 软硬件体系架构
• 3.2 多核网络设备虚拟化系统主要处理流程
• 3.3 本章小结
• 第四章 多核网络设备I/O虚拟化设计与实现
• 4.1 I/O虚拟化模块概述
• 4.1.1 系统功能
• 4.1.2 设计目标
• 4.1.3 设计原则
• 4.1.4 开发方法
• 4.2 I/O虚拟化模块需求分析
• 4.2.1 I/O设备发现
• 4.2.2 I/O访问截获
• 4.2.3 I/O设备模拟
• 4.2.4 I/O设备共享
• 4.3 I/O虚拟化实现架构
• 4.3.1 系统逻辑架构
• 4.3.2 交互架构设计
• 4.3.3 整体功能结构
• 4.3.4 整体功能流程图
• 4.4 系统开发环境
• 4.5 I/O虚拟化实现
• 4.5.1 I/O设备发现的实现
• 4.5.2 I/O设备访问截获的模拟和实现
• 4.5.3 I/O设备共享的实现
• 4.5.4 I/O数据流调度与传递实现
• 4.6 小结
• 4.6.1 设计重点与难点
• 4.6.2 设计的创新点
• 第五章 基于I/O虚拟化的业务设计与实现
• 5.1 FEC视频修复业务概述
• 5.2 FEC视频修复业务设计与实现
• 5.3 WEB防火墙业务概述
• 5.4 WEB防火墙业务设计与实现
• 5.5 小结
• 第六章 多核网络设备I/O虚拟化测试
• 6.1 测试内容
• 6.2 测试方案
• 6.2.1 系统级测试测试方案
• 6.2.2 I/O虚拟化模块测试测试方案
• 6.3 功能测试结果
• 6.3.1 系统级功能测试
• 6.3.2 I/O虚拟化模块级功能测试
• 6.4 性能测试结果
• 6.4.1 系统性能测试结果
• 6.4.2 模块性能测试结果
• 6.5 测试结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文