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高性能路由器中存储体系结构的研究

作　者: 樊金斗
导　师: 刘斌
学　校: 清华大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 路由器存储体系结构绿色互联网并行化分布式存储
分类号: TP333
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 28次
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内容摘要

存储和转发是路由器的两大基本功能，存储作为其中之一一直备受关注。然而随着网络的发展，路由器的存储体系结构也产生出很多亟待解决的问题，如路由器的功耗控制问题、高带宽接入的设计问题以及在未来互联网中如何更好地设计存储体系结构以保证服务质量的问题。本论文对高性能路由器中存储体系结构的设计做了深入的研究，取得如下成果：1.提出了一种可同时降低业务量管理器芯片峰值功耗和平均功耗的低功耗存储体系结构。本论文利用业务量管理器芯片的片内存储器实现了一个小容量的支持每流队列管理的片内缓存，利用片外存储器实现了一个支持每类队列管理的片外缓存。当网络不拥塞时，业务量管理器芯片使用片内缓存，禁用片外缓存以降低功耗；当网络发生拥塞时，业务量管理器芯片启用片外缓存以降低丢包率。由于在实际的网络中拥塞发生的并不频繁，因此业务量管理器芯片在绝大多数时间都使用片内缓存，功耗比一直使用片外缓存的方案有明显降低。软件仿真和硬件实验表明，配置有低功耗存储体系结构的业务量管理器芯片的峰值功耗和平均功耗分别降低了27.9%和37.5%。不仅如此，该体系结构的片内逻辑开销和存储资源开销都低于传统的业务量管理器芯片。2.提出了一种可用于业务量管理器芯片的并行化调度器及其存储体系结构。本论文首次将多线程处理方式引入业务量管理器芯片，在其内部部署多个线程共享存储器。软件仿真实验表明，利用支持4个线程的并行化方案实现的业务量管理器芯片，其所能支持的带宽可以提高3倍，存储开销、逻辑开销和存储器使用数量比部署4个单线程业务量管理器芯片的方案分别降低了7.1%、36.2%和75%。3.提出了一种可用于名字标记网络路由器的分布式存储体系结构。通过修改名字标记网络对Interest包的处理机制，路由器中每个线卡可以单独维护存储体系结构。本论文还为每块线卡提出了一种硬件上易于实现的存储体系结构。分析结果显示，优化型分布式存储体系结构的处理能力最高可以达到原始分布式存储体系结构的N倍（N为线卡数量），在缓存同样多种类的网络包时，优化型分布式存储体系结构的存储资源开销只有原始分布式存储体系结构的1/N；而且其吞吐率可以达到集中式存储体系结构的N倍。软件仿真实验结果表明，优化型分布式存储体系结构的每个线卡中的存储模块索引信息表的吞吐率可以达到50Mpps。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
图目录  9-11
表目录  11-12
主要符号对照表  12-13
第1章引言  13-25
  1.1 研究背景  13-17
    1.1.1 路由器体系结构简介  13-15
    1.1.2 工业界的现状和发展趋势  15-17
    1.1.3 学术界的研究现状  17
  1.2 主要研究内容和难点  17-20
    1.2.1 主要研究内容  17-19
    1.2.2 研究难点  19-20
  1.3 主要研究成果和创新点  20-23
  1.4 论文组织结构  23-25
第2章相关工作综述  25-41
  2.1 路由器中实现存储模块的业务量管理器概述  25-30
    2.1.1 业务量管理器芯片的体系结构  26-28
    2.1.2 业务量管理器芯片的工作流程  28
    2.1.3 路由器存储体系结构面临的挑战  28-30
  2.2 低功耗路由器设备和绿色互联网  30-34
    2.2.1 功耗问题的严重性  30-32
    2.2.2 降低互联网功耗的方法  32-34
  2.3 高吞吐率路由器存储体系结构  34-37
    2.3.1 路由器中的存储模块的吞吐率需求发展趋势  34-35
    2.3.2 高带宽存储体系结构解决方案  35-37
  2.4 未来互联网体系结构中的存储模块  37-39
    2.4.1 名字标记网络简介  37-39
    2.4.2 名字标记网络中的路由器存储  39
  2.5 本章小结  39-41
第3章低功耗路由器存储体系结构  41-74
  3.1 业务量管理器的功耗问题  41-43
  3.2 低功耗存储体系结构概述  43-45
  3.3 降低业务量管理器平均功耗的存储体系结构  45-51
    3.3.1 存储体系结构设计  45-48
    3.3.2 自适应调整算法设计  48-51
  3.4 降低业务量管理器峰值功耗的存储体系结构  51-56
    3.4.1 降低峰值功耗的意义  51-52
    3.4.2 存储体系结构设计  52-54
    3.4.3 自适应调整算法设计  54-56
  3.5 存储体系结构分析  56-63
    3.5.1 数学模型  56-58
    3.5.2 片外数据包缓存队列使用分析  58-62
    3.5.3 存储体系结构片上资源分析  62-63
  3.6 性能评价  63-73
    3.6.1 评价环境设置  63-65
    3.6.2 网络流量设计  65-66
    3.6.3 软件仿真评价结果  66-69
    3.6.4 硬件实验评价结果  69-73
    3.6.5 小结  73
  3.7 本章小结  73-74
第4章路由器中高吞吐量并行化存储体系结构  74-87
  4.1 业务量管理器芯片存储体系结构高带宽的设计需求  74
  4.2 业务量管理器芯片中的调度器和存储模块  74-78
    4.2.1 调度器和存储模块的工作机制  74-76
    4.2.2 调度器和存储模块的工作瓶颈分析  76-78
  4.3 并行化调度器和存储体系结构  78-82
    4.3.1 体系结构设计  78-79
    4.3.2 多线程分配策略  79-80
    4.3.3 线程分配模块体系结构设计  80-81
    4.3.4 并行化调度器和存储体系结构的优点  81-82
  4.4 性能评价  82-85
    4.4.1 性能评价方法  82-83
    4.4.2 性能评价设置  83
    4.4.3 并行化性能评价  83-84
    4.4.4 资源开销评价  84-85
    4.4.5 小结  85
  4.5 本章小结  85-87
第5章名字标记网络中的路由器存储体系结构  87-114
  5.1 名字标记网络概述  87-89
    5.1.1 名字标记网络简介  87-89
    5.1.2 名字标记网络中路由器的存储模块  89
  5.2 分布式存储体系结构  89-103
    5.2.1 集中式存储体系结构  90
    5.2.2 原始分布式存储体系结构  90-91
    5.2.3 优化型分布式存储体系结构  91-95
    5.2.4 存储模块硬件体系结构设计  95-103
  5.3 性能评价  103-112
    5.3.1 性能评价方法  103-104
    5.3.2 性能评价结果  104-111
    5.3.3 评价总结  111-112
  5.4 讨论  112
  5.5 本章小结  112-114
第6章总结和进一步的研究展望  114-118
  6.1 研究工作总结  114-116
  6.2 进一步研究计划  116-118
参考文献  118-126
致谢  126-128
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  128-129

高性能路由器中存储体系结构的研究

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