以多核心技术来最佳化网路性能.PDF

以多核心技術來最佳化網路性能 提要 在網路通信設備的評測中，性能和成本一直是最關鍵的要素。然而，性能包括了多個方面， 包括吞吐能力、時延和CPU佔用率等。即便對於容量小於1GB的系統，可預測的回應時間和 可用于運行應用的CPU週期都至關重要。多核心晶片的出現為性能的提升和降低成本帶來了 機遇。在多個內核心之間高效率地分佈網路通信功能，系統就可以實現比前一代產品更高的 吞吐能力、更低的CPU佔用率、更小的尺寸和更低的成本。本文描述了作業系統、協議棧和 多核心晶片的有效集成將會給網路通信行業帶來怎樣的變革。 更高性能帶來的挑戰 【】 1 根據摩爾定理，處理器的能力每兩年就要翻一倍 。由此對所有使用微處理器的設備產生 了廣泛的影響，其中當然包括網路通信設備。性能更強大的終端節點能夠更快地處理資料， 這也是網路通信頻寬需求不斷增長的動力。在過去的15年內，局域網（LAN ）的傳輸速率 已經增長了1000多倍。 圖1：局域網資料速率的演進 廣域網路（WAN ）的資料速率雖然沒有局域網速率那麼快，但是也呈現出指數級的增長。 圖2 ：廣域網路資料速率演進 發展最快的網路通信技術是無線通訊。由於不再受到線纜連接的牽絆，無線通訊為用戶互連 提供了極大的便利性。 有人爭辯說，多媒體內容的需求已經存在多時，早就在等待相應的網路通信技術來支援了。 視頻和音訊檔不僅體積比純文字資料檔案大得多，而且對時間延遲更為敏感。 語音、視頻和資料的融合需要更精密的通信設備以滿足低時延的需求。如今的家庭網關需要 實現Internet接入、VoIP語音通信和流媒體等多種業務混合一體的處理能力。 同樣，像蘋果iPhone這類手機設備中也融合了語音、資料、音樂、Internet和多媒體等多種功 能，而且把這些功能放在了更小的設備中。 所有這些發展趨勢都需要高頻寬、低時延的網路通信技術來實現，不論是對於終端使用者設 備，而且包括各種接入、彙聚和核心部件。設備製造商面臨的挑戰是在開發週期縮短、產品 利潤空間壓縮的壓力下，為市場提供更高性能的平臺。解決所有這些需求和挑戰需要全新的 解決方案。多核心網路就是解決方案。 多核性能 在過去幾十年裡，處理器能力每兩年就翻一倍。然而，近幾年處理器速率上升曲線開始變得 平緩，這是由於受到發熱和功耗等因素限制，無法再通過增加電晶體數量來提升處理器性能。 但是，多核心處理提供了新思路。通過併發地使用多個內核心，處理性能可以進一步提升以 滿足高性能的需求。 全球領先的各大處理器晶片廠商都開始推出多核心晶片，在單個晶片內集成了多個處理內核 心。通過非常快速的任務間資料交換，虛擬內核心或執行緒可以進一步細分內核心資源。 多核心處理器晶片的性能依據時脈速率和內核數量而不同。目前已經有16—32個內核的處理 器晶片。這些晶片中大多數都集成了網路處理功能，減小了由傳統網路通訊協定軟體所造成 的時延。 圖3 ：單個處理器性能差距 多核心處理方法 【】 2 多核心軟體可以由多種模式實現 。在採用對稱式多處理結構（SMP ）模式實現的系統中， 在運行作業系統和任務時，多個內核心基本上是可以互換的。有一種SMP採用了聯姻 （affinity ）或CPU預留技術來指定任務與某個內核心的綁定，由此使其變成較為高效的專用 處理器。 非對稱式處理結構 （AMP ）通常是指運行著多個作業系統的架構。Supervised AMP採用了虛 擬化技術對各種處理單元進行抽象，例如記憶體、內核心或設備等。 為了發揮新型晶片的優勢，必需設計出新的軟體。一種常見的誤解是，為單核心處理器環境 編寫的軟體在多核心處理器環境下自然能夠運行得更快更好。讓我們以機器人為例，在裝配 生產線上經常使用機器人手臂來搬動箱子。當採用單處理器運行時，每分鐘能夠搬運12個箱 子。如果同樣的系統和軟體以SMP模式採用多核心處理器運行的話，機器人手臂並不會運行 得更快，每分鐘仍然只能搬運12個箱子。但是，如果將軟體面向多核心處理器技術進行重新 編寫，系統就能夠使用更多的處理能力去執行其他的任務。例如，如果在上述機器人控制多 核系統中，將第二個處理器用於控制另一個機器