第二部分第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(已修改)
2025-08-13 13:07 本頁面
【正文】 第二部分 第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 主要內(nèi)容 ? 用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu) ? 分類和轉(zhuǎn)發(fā) ? 交換結(jié)構(gòu) 1. 傳統(tǒng)的軟件路由器 ? 第一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是分組交換機(jī)，使用的是小型機(jī)。 ? 第一個商用的 IP路由器是軟件路由器，使用常規(guī)的計算機(jī)硬件： ? 由通用處理器、共享內(nèi)存、共享總線、若干個網(wǎng)卡組成 ? 通用處理器執(zhí)行大部分的協(xié)議處理任務(wù)，網(wǎng)卡完成組幀及地址識別 ? 適用于低速系統(tǒng)，成本低。 2. 路由器的速度 ? 路由器的處理速度決定了： ? 可以連接到路由器上的網(wǎng)絡(luò)的最大速率 ? 路由器能夠支持的最大網(wǎng)絡(luò)接口數(shù) ? 集合速率和端口速率： ? 集合速率：數(shù)據(jù)進(jìn)入或離開一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總速率，是系統(tǒng)處理能力的測度。 ? 端口速率：在一個網(wǎng)絡(luò)接口上數(shù)據(jù)進(jìn)入或離開的速度。 ? 數(shù)據(jù)速率和包速率： ? 數(shù)據(jù)速率：單位為比特 /秒。 ? 包速率：單位為包 /秒（ pps），取決于網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和包的長度。 不同網(wǎng)絡(luò)中的包速 注：灰色條塊代表大數(shù)據(jù)包的速率 一個包的最大處理時間 注：以上僅是一個網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)，如果有 N個端口，則每個包的處理 時間還要除以 N。 一個軟件系統(tǒng)能夠支持多大的包速？ ? 處理一個數(shù)據(jù)包的時間包括： ? 中斷處理 ? 將包拷入內(nèi)存 ? 包的協(xié)議處理：取決于包的內(nèi)容（如使用的協(xié)議） ? 一個典型的運(yùn)行 Linux內(nèi)核的 PC機(jī)，每秒最多可以處理 50000個 IP包（每個數(shù)據(jù)報只做最少的處理）。 ? 若數(shù)據(jù)包要經(jīng)過防火墻軟件處理，則每秒種最多處理 8000個包。 軟件路由器的能力 ? 考慮兩個 10BaseT的以太網(wǎng)。每個網(wǎng)絡(luò)的最大包速是19500pps，每個包的處理時間不超過 ，處理每個包的指令數(shù)一般在 5000~10000條之內(nèi)。因此， CPU的執(zhí)行速度必須在 195Mips~390Mips之間。 ? 許多商用的 CPU可以有超過 400Mips的執(zhí)行速度，因此 軟件路由器可以連接大約兩個 10Mbps以太網(wǎng)。 ? 考慮一個 10Gbps的網(wǎng)絡(luò)，每微秒產(chǎn)生大約 20個數(shù)據(jù)包，CPU每秒鐘必須執(zhí)行 2 1011 條指令。 ? 結(jié)論：運(yùn)行在通用處理器上的軟件無法應(yīng)對高速網(wǎng)絡(luò)。 3. 克服單 CPU瓶頸 ? 細(xì)粒度并行（指令級并行） ? 對稱粗粒度并行（對稱多處理器） ? 非對稱粗粒度并行（非對稱多處理器） ? 專用協(xié)處理器 ? 智能 NIC ? 數(shù)據(jù)流水線 細(xì)粒度并行（指令級并行） ? 目前幾乎所有的處理器均采用了指令流水線來重疊指令的執(zhí)行，但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的指令重疊很少。 ? 利用程序中的循環(huán)級并行，如采用向量指令。向量指令可以同時操作在一組數(shù)據(jù)單元上，比如進(jìn)行檢查和計算時，對內(nèi)存中連續(xù) 8個位置的數(shù)值同時相加。但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的循環(huán)級并行很少。 ? 細(xì)粒度并行對包處理來說優(yōu)勢不明顯 ? 包處理功能很少能被細(xì)粒度優(yōu)化的 ? 程序必須花時間建立并行指令 ? 細(xì)粒度并行僅能改善 CPU性能，而多數(shù)情況下訪存或 I/O是瓶頸 對稱粗粒度并行（ SMP） ? 在一個計算機(jī)上匯集一組相同的 CPU，系統(tǒng)資源被所有CPU共享，工作負(fù)載被均勻分配到所有可用的 CPU上。 ? 典型的設(shè)計：每個 CPU處理一個包，或者每個 CPU執(zhí)行一個協(xié)議。 ? 使用 N個處理器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲得的性能增益不是單處理器系統(tǒng)的 N倍： ? 大多數(shù)多處理器系統(tǒng)使用一個共享內(nèi)存 ? 包處理軟件必須協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如隊列）的訪問 ? 只能增加處理能力，不能自動增加 I/O帶寬。 非對稱粗粒度并行 ? 使用多個可并行執(zhí)行的異構(gòu)處理器，每個處理器針對一種任務(wù)而優(yōu)化，使用特殊的指令集。 ? 非對稱多處理器的缺點(diǎn)： ? 每一個處理器都要有自己的指令 ? 比對稱系統(tǒng)難以編程 ? 需要協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問 ? 通用性差，不適用于其它任務(wù)或協(xié)議 ? 成本很高 專用協(xié)處理器 ? 使用一個通用 CPU加上一個或多個專用協(xié)處理器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 ? 協(xié)處理器是在 CPU控制下運(yùn)行的一個硬件： ? 靈活的設(shè)計自由度：協(xié)處理器可以設(shè)計得很復(fù)雜，也可以
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