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基于零拷贝的Web服务器技术研究

作　者: 温梨梨
导　师: 曲海鹏
学　校: 中国海洋大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: Web服务器零拷贝 PF_RING 协议栈
分类号: TP393.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 32次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

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PF_RING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PF_RING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PF_RING Socket接口,采用DMA方式将整个数据包存储在PF_RING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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-17
  1.1 Web 服务器简介  10-11
  1.2 Web 服务器工作原理及存在问题  11-13
  1.3 Web 服务器性能瓶颈国内外研究现状  13-14
  1.4 课题的提出及论文的组织结构  14-17
2 Web 服务器改进技术研究  17-29
  2.1 零拷贝技术  17-18
  2.2 网卡NAPI 机制  18-19
  2.3 DMA 与MMAP 工作原理  19-21
  2.4 PF_RING 工作机制  21-24
    2.4.1 PF_RING 工作原理  21-22
    2.4.2 PF_RING 实现  22-23
    2.4.3 PF_RING 应用编程接口  23-24
  2.5 Web 服务器相关的网络协议栈研究  24-28
    2.5.1 HTTP 协议研究  24-25
    2.5.2 CGI 工作原理  25-27
    2.5.3 TCP/IP 协议研究  27-28
  2.6 本章小结  28-29
3 FastMattows 设计  29-37
  3.1 FastMattows 需求与开发平台选型  29
  3.2 FastMattows 系统总体设计  29-30
  3.3 FastMattows 模块结构  30-32
  3.4 FastMattows 工作流程  32-36
  3.5 本章小结  36-37
4 FastMattows 实现  37-55
  4.1 PF_RING 模块加载与修改  37-40
  4.2 FastMattows 协议实现  40-48
    4.2.1 HTTP 协议实现  41-44
    4.2.2 TCP/IP 协议和数据链路层功能实现  44-48
  4.3 Socket 接口函数实现  48-50
  4.4 CGI 功能实现  50-54
  4.5 本章小结  54-55
5 FastMattows 性能分析与模拟实验  55-58
  5.1 FastMattows 性能分析  55-56
  5.2 FastMattows 性能模拟实验  56-57
  5.3 本章小结  57-58
6 总结与展望  58-60
  6.1 论文总结  58-59
  6.2 进一步研究工作  59-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
个人简历  64
攻读学位期间的主要成果  64

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