多核優(yōu)化網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測類系統(tǒng)的創(chuàng)新應用研究

周慧琴

(忻州師范學院，山西忻州034000)

0 引言

網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)在功能結構、應用方向等方面與一般網(wǎng)絡鏈路流量監(jiān)測系統(tǒng)不同，網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)從應用方面來說主要是對網(wǎng)絡匯聚處的數(shù)據(jù)流量進行監(jiān)測，而且網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)的根本目的是對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息進行審查，掃描和識別網(wǎng)絡信息的具體內(nèi)容.網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵模塊是負責與數(shù)據(jù)信息緩沖隊列相關數(shù)據(jù)結構直接聯(lián)系，從系統(tǒng)結構上來看其核心模塊與數(shù)據(jù)信息匹配識別相關.網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)與一般網(wǎng)絡協(xié)議監(jiān)測系統(tǒng)工作流程相似，但又存在著多種差異之處，因此，在對網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)進行多核優(yōu)化處理的過程中也會體現(xiàn)出很多特性特點，尤其是其優(yōu)化結果能夠真正達到提高網(wǎng)絡性能的目的［1］.由于網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡流量中包含的內(nèi)容信息進行還原，并按照既定條件抓取網(wǎng)絡流量中的特定內(nèi)容信息，文章通過研究網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)多核優(yōu)化的問題，根據(jù)不同的網(wǎng)絡協(xié)議類型，不斷探索系統(tǒng)在審查網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息方面的獨特優(yōu)勢［2］.

1 網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化思路

(1)當網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)(IRCMS)處于串行工作模式時，對其進行網(wǎng)絡性能分析，通過實驗在單核處理器平臺上測試IRCMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息吞吐量性能，并根據(jù)相關指標分析IRCMS系統(tǒng)存在的性能瓶頸.

(2)當IRCMS系統(tǒng)運行于多核處理器平臺時，逐個增加單核處理器的核心個數(shù)，測試系統(tǒng)吞吐量性能是否能夠提高.

(3)綜合分析處于多核處理器平臺中IRCMS系統(tǒng)存在的性能瓶頸問題，針對具體問題提出多核性能優(yōu)化策略.

(4)對完成多核優(yōu)化之后IRCMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息吞吐量進行測試，與優(yōu)化之前的吞吐量性能進行對比分析，得到性能提升比例.

(5)以IRCMS系統(tǒng)作為多核優(yōu)化案例，分析應用了創(chuàng)新多核優(yōu)化策略之后，IRCMS系統(tǒng)吞吐量性能提高的特點和規(guī)律.

2 網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)性能實驗分析

2.1 實驗平臺和實驗流量

2.1.1 實驗硬件平臺

實驗測評的硬件平臺應用的是戴爾R710型號的多核服務器，服務器總共包含8個核心處理器(核心0至核心7)，處理器采用的是Core微架構的Nehalem處理器.

2.1.2 實驗軟件平臺

實驗測評的軟件平臺選用的是CENT OS 5.3的 Linux發(fā)行版本，以及 Kernel 2.6.18操作系統(tǒng)內(nèi)核;實驗編譯環(huán)境選用的是GCC 4.1.2編譯器;系統(tǒng)測試工具為英特爾性能分析器.

2.1.3 實驗業(yè)務流量

實驗業(yè)務流量采用的是S市聯(lián)通寬帶網(wǎng)絡出口鏈路的真實業(yè)務流量，如表1所示.

表1 實驗業(yè)務流量情況Tab.1 Experimental traffic situation

2.2 IRCMS系統(tǒng)在單核處理器平臺的性能實驗

IRCMS系統(tǒng)在單核處理器平臺中的吞吐量性能如表2所示.

表2 ITCMS系統(tǒng)單核處理器平臺吞吐量性能分析Tab.2 Analysis of throughput performance of single core processor platform ITCMS system

2.3 IRCMS系統(tǒng)在多核處理器平臺的性能實驗

為了研究測評網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)由單核處理器平臺轉移到多核處理器平臺之后，網(wǎng)絡性能是否能夠得到擴展式提升，因此，對IRCMS系統(tǒng)運行于多核處理器平臺中時的吞吐量進行性能測試［4-6］.

表3 ITCMS系統(tǒng)多核處理器平臺吞吐量性能分析Tab.3 Analysis of throughput performance of multi-core processor platform ITCMS system

表3中，當IRCMS系統(tǒng)在2個核心的多核處理器平臺運行時，吞吐量性能是在單核處理器平臺運行的128.35%，但是，IRCMS系統(tǒng)性能提升只是通過單純增加實驗硬件配置得到的，吞吐量性能提升的幅度只限于30%左右.隨著核心數(shù)量的不斷增加，IRCMS系統(tǒng)的吞吐量性能沒有明顯幅度提升，由此，能夠得到的結論是，IRCMS系統(tǒng)吞吐量性能提升并不具有良好的擴展性.而且，由表3數(shù)據(jù)分析可以表明，單純地增加核心處理器的硬件數(shù)量，網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)的吞吐量性能不能夠得到大幅度提升，因此，只能通過優(yōu)化軟件系統(tǒng)提高網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡性能.

3 網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)多核平臺性能優(yōu)化策略

3.1 應用三級流水線并行方式

多核平臺性能優(yōu)化中的流水線并行方式是有效的優(yōu)化方法，是由處理器執(zhí)行并行命令引鑒的，流水線并行方式是將系統(tǒng)的不同部分分為多個執(zhí)行階段，它們之間的耦合程度非常低，再將這些部分命令并行執(zhí)行.本文對IRCMS系統(tǒng)進行多核性能優(yōu)化實驗，采用的就是由其本身特性決定的三級流水線并行方式.在IRCMS系統(tǒng)中，功能線程分為F1、F2和F3三種，當運行于單核處理器平臺時仍然保持串行工作模式，本文根據(jù)主體功能線程的本身特點，分為多個不同的流水線結構單元，從而形成三級流水線并行的方式，再將三個不同的單元分別置于多核處理器平臺的核心處理器中，以便能夠同時得到數(shù)據(jù)信息資源進行計算.應用三級流水線并行方法進行多核優(yōu)化之后，能夠有效保證每個流水線的單元完成的是真正的并行處理［7］.

圖1 三級流水線并行結構示意圖Fig.1 three level pipeline parallel structure schematic diagram

3.2 計算流水線單元之間的資源配置比例

3.2.1 流水線單元之間硬件資源配置比例

本文多核優(yōu)化性能實驗中采用的多核平臺共包含8個核心處理器，只有核心0的作用限于數(shù)據(jù)流量的輸入，其他的7個核心處理器都用作于IRCMS系統(tǒng)的多核性能優(yōu)化處理.流水線單元之間硬件資源配置比例，是要根據(jù)單元之間的功能的重要性，以及計算的具體需求，將不同的核心分配于不同的流水線階段中，使得并行處理策略能夠更加有針對性.因此，以圖1的方式完成了流水線結構劃分之后，能夠明確計算需求最為密集的部分是第Ⅱ單元，當多核處理器平臺增加了新的計算核心時，根據(jù)優(yōu)先分配的原則發(fā)配到第Ⅱ單元使用.

3.2.2 流水線單元之間線程數(shù)量的匹配

當完成分配計算核心之后，需要對流水線單元線程數(shù)量進行比例配置，由于流水線單元線程的基于核心運行和執(zhí)行系統(tǒng)任務的最小單位，因此，如果需要調(diào)節(jié)軟件系統(tǒng)在每個階段處理數(shù)據(jù)信息的速度，或者對不同模塊運行造成的開銷進行調(diào)節(jié)，可以通過增加和減少流水線單元線程數(shù)量來完成.而且，在對某個流水線單元的線程數(shù)量進行配置時，通常情況下要比投入的計算核心數(shù)量大，或者與投入的計算核心數(shù)量相等，由此才能夠真正保證計算資源的充分利用.

3.3 應用結合 Linux調(diào)度的固定調(diào)度方式

固定調(diào)度指的是在充分利用核心處理器的親和性前提下，將單元線程與特定計算核心通過關聯(lián)使其運行于此計算核心之中，不會隨意發(fā)生跳轉.本文IRCMS系統(tǒng)的多核平臺性能優(yōu)化采用的結合Linux調(diào)度的固定調(diào)度方式，將IRCMS系統(tǒng)中的部分線程進行固定，另一部分線程由Linux將兩部分結合共同完成調(diào)度任務.應用結合Linux調(diào)度的固定調(diào)度方式與傳統(tǒng)的固定調(diào)度方式比較而言，靈活性有了明顯提高，但是需要基于流水線單元資源配比之上才能應用［8］.

3.4 對隊列結構和銜接方式進行優(yōu)化

3.4.1 對隊列結構進行優(yōu)化

對于某個隊列來說，當這個隊列的共享線程數(shù)量過多，就會引起隊列之間的同步競爭，甚至出現(xiàn)嚴重的串行化情況.因此，如果要降低由于共享造成隊列之間競爭的程度，需要以最大限度將隊列局部化，將共享資源進行分解，以此達到減少隊列的線程數(shù)量.

3.4.2 對銜接方式進行優(yōu)化

銜接方式指的是線程和隊列之間互相進行訪問.通過對銜接方式進行優(yōu)化，能夠合理分配進行系統(tǒng)工作，具體優(yōu)化步驟如下:

如圖2所示，在第I單元中，F(xiàn)1線程是與Ⅰ-Ⅱ隊列相互連接的，同時應用了報文連接分發(fā)的方式.網(wǎng)絡源地址、網(wǎng)絡目的地址、網(wǎng)絡源端口、網(wǎng)絡目的端口和網(wǎng)絡協(xié)議的報文使用的是同一個連接.F1線程將此報文的連接傳送到Ⅰ-Ⅱ相同的隊列中，由此，F(xiàn)2線程可以在第Ⅱ單元中對同一個連接的報文內(nèi)容信息進行掃描和審查，得到的匹配結果具有較強的相關性，使得系統(tǒng)管理員能夠盡早發(fā)現(xiàn)問題所在.

在第Ⅱ單元中，F(xiàn)2線程與Ⅰ-Ⅱ隊列、F2線程與Ⅱ-Ⅲ隊列之間采用的是相同的一對一處理固定銜接方式.

在第Ⅲ單元中，F(xiàn)3線程與Ⅱ-Ⅲ隊列之間的銜接應用的是輪詢訪問的銜接方式，F(xiàn)3線程對每一個匹配結果的緩沖隊列進行輪詢訪問，并將其結果存儲到數(shù)據(jù)庫中［9］.

將對隊列結構和銜接方式進行優(yōu)化進行綜合分析之后，得到IRCMS系統(tǒng)的多核優(yōu)化隊列結構圖，其隊列數(shù)量能夠根據(jù)投入的計算核心數(shù)量，以及流水線單元之間的現(xiàn)場配置比例關系進行靈活變化.

圖2 IRCMS系統(tǒng)多核優(yōu)化隊列結構圖Fig.2 multi-core queue structure diagram of IRCMS system

通過對隊列結構和銜接方式進行優(yōu)化，能夠有效的將隊列線程局部化，真正降低了線程數(shù)量過多而造成的隊列競爭程度.

4 網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)多核平臺性能優(yōu)化效果

在IRCMS系統(tǒng)應用了上一章節(jié)提出的多核平臺性能優(yōu)化策略進行多核優(yōu)化之后，稱之為AIRCMS系統(tǒng).

表4 AIRCMS多核處理器平臺的吞吐量Tab.4 The throughput of AIRCMS multi processor platform

當實驗投入了3個核心處理器時，AIRCMS系統(tǒng)的吞吐量性能隨著核心數(shù)量的增加而明顯大幅度提高.當投入了7個核心處理器時，AIRCMS系統(tǒng)的吞吐量性能能夠達到416.34Mbps，與投入單個核心處理器的吞吐量性能相比較而言，吞吐量性能提高了436.10%，圖3給出了AIRCMS系統(tǒng)在采用了多核優(yōu)化策略之后，與未采用多核優(yōu)化策略的系統(tǒng)吞吐量性能變化情況［10］.

圖3 多核優(yōu)化策略應用前后系統(tǒng)吞吐量性能對比圖Fig.3 The system throughput performance comparison chart of multi core optimization strategy before and after

本文提出的多核優(yōu)化策略需要投入的計算核心為3個.由此在圖3中，采用多核優(yōu)化策略進行優(yōu)化之后的AIRCMS系統(tǒng)的性能折線圖并沒有計算核心為2時的吞吐量性能點.對于沒有采用多核優(yōu)化策略的IRCMS系統(tǒng)來說，為了能夠與AIRCMS系統(tǒng)性能提升的擴展性進行對比，因此，記錄了核心2至核心7的吞吐量性能數(shù)據(jù)信息.

由圖3可以看出，IRCMS系統(tǒng)的吞吐量性能應用了多核優(yōu)化策略之后有了明顯提高，能夠隨著投入計算核心的數(shù)量增加而持續(xù)升高.當沒有應用多核優(yōu)化策略時，IRCMS系統(tǒng)的吞吐量性能不能夠隨著計算核心數(shù)量的增加而明顯提高.因此，如果需要網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)在充分利用硬件資源的前提下，網(wǎng)絡性能能夠有顯著性提高，必須有針對性將多核優(yōu)化策略應用于軟件系統(tǒng)中.

5 網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)多核優(yōu)化加速比分析

(1)定義多核優(yōu)化加速比指標

指標多核優(yōu)化加速比記作Sr，指的是綜合考慮了并行執(zhí)行開銷之后的系統(tǒng)理論加速比，而系統(tǒng)理論加速比是多核優(yōu)化加速比的基礎.

(2)多核優(yōu)化加速比公式

上述公式(1)中，f作為串行比例;n作為投入到系統(tǒng)運行計算的核心數(shù)量;fr作為并行執(zhí)行開銷與并行執(zhí)行計算時間之比.表5給出了當投入不同的核心數(shù)量時，串行比例f的變化情況.

表5 投入不同的核心數(shù)量時f的變化情況Tab.5 The function changes when input different number of cores

表6 并行執(zhí)行開銷與并行執(zhí)行計算時間之比frTab.6 The ratio frof parallel execution overhead and parallel execution of computation time

根據(jù)公式(1)，計算AIRCMS系統(tǒng)的多核優(yōu)化加速比指標，如表7所示:

表7 AIRCMS系統(tǒng)多核優(yōu)化加速比Tab.7 The AIRCMS system kernel optimization speedup

將AIRCMS系統(tǒng)的多核優(yōu)化加速比指標與實際吞吐量性能提升比例進行對比，如圖4所示.

圖4 AIRCMS系統(tǒng)多核優(yōu)化加速比指標與實際吞吐量性能提升比例對比Fig.4 The ratio index of AIRCMS system kernel optimization speedup comparison with the actual throughput performance

對AIRCMS系統(tǒng)串行開銷比例f，以及并行執(zhí)行產(chǎn)生的新的開銷比例fr進行測量計算，能夠得到AIRCMS系統(tǒng)的多核優(yōu)化加速比指標值數(shù).圖4中，多核優(yōu)化加速比計算的吞吐量提升比例與系統(tǒng)吞吐量提升比例基本相同，但是在折線圖的后半部分出現(xiàn)了明顯差異，當計算核心的數(shù)量6和7時，系統(tǒng)吞吐量性能的提升已經(jīng)開始落后于多核優(yōu)化加速比例的提升.這是由于當計算核心的數(shù)量為6和7時，IRCMS系統(tǒng)中有兩路F1線程同時運行于流水線第I單元部分，從而降低了系統(tǒng)吞吐量性能的提升比例，因此與多核優(yōu)化加速比計算的吞吐量性能之間存在一定距離.總之，當IRCMS系統(tǒng)應用了本文提出的多核優(yōu)化加速策略之后，吞吐量性能的提升幅度與多核優(yōu)化加速比計算過后得到的理論吞吐量性能提升幅度基本相同.

6 結論

由于網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)存在著嚴重的網(wǎng)絡性能瓶頸，主要體現(xiàn)于報文數(shù)據(jù)的壓縮、譯碼和傳輸，以及關鍵字匹配等方面.尤其是當網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)需要完成關鍵字匹配工作時，其開銷能夠占據(jù)到系統(tǒng)總體開銷的一半之多.本文選擇了自主研發(fā)，且具有代表性的IRCMS系統(tǒng)，對IRCMS系統(tǒng)在多核處理器平臺上的網(wǎng)絡性能進行優(yōu)化，根據(jù)IRCMS系統(tǒng)的實際情況提出了一套多核平臺性能優(yōu)化策略，并將其應用于IRCMS系統(tǒng)中進行評測，得到了AITCMS系統(tǒng)的吞吐量性能，將其與未應用多核優(yōu)化策略的ITCMS系統(tǒng)的吞吐量性能進行對比分析，當投入的計算核心數(shù)量為7時，系統(tǒng)吞吐量性能的提升是之前的436.10%.因此，本文提出的多核平臺性能優(yōu)化策略能夠使網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)將集中于某一點的制約吞吐量性能的因素平均分配于多個資源中，從根本上提升了網(wǎng)絡內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能，具有良好的現(xiàn)實意義和應用前景.

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