【摘 要】
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随着光纤宽带的普及以及5G移动网络的建设与发展,传统防火墙在高吞吐量网络环境中遇到性能瓶颈。本文主要研究基于x86架构的通用处理器型防火墙的性能提升,由于硬件性能的限制,再加上每次处理数据时产生的硬件中断、上下文所产生的缓存缺失、内核态和用户态之间切换拷贝、收发包采用的系统调用、全局锁的竞争以及数据处理流程的冗长等产生的消耗已经难以满足互联网高数据速率,低延迟的需求。为解决上述提出的问题,本文研究
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随着光纤宽带的普及以及5G移动网络的建设与发展,传统防火墙在高吞吐量网络环境中遇到性能瓶颈。本文主要研究基于x86架构的通用处理器型防火墙的性能提升,由于硬件性能的限制,再加上每次处理数据时产生的硬件中断、上下文所产生的缓存缺失、内核态和用户态之间切换拷贝、收发包采用的系统调用、全局锁的竞争以及数据处理流程的冗长等产生的消耗已经难以满足互联网高数据速率,低延迟的需求。为解决上述提出的问题,本文研究数据面开发工具集（DPDK）的特性,用大页内存技术减少了缓存缺失问题;用用户空间驱动技术以及用户态轮询机制替代内核驱动,有效减少系统调用以及中断所产生的延迟;用线程绑核技术解决了核心线程切换所带来了性能损耗问题;最后通过零拷贝技术减少了上下文切换,有效的提升了系统数据包捕获效率。本文为了提升防火墙系统整体效率,结合DPDK关键技术以及需求,设计和实现以下几个关键功能模块:基于连接管理模块实现的数据包快速转发功能;采用了基于改进读写锁的ARP功能模块和基于最长前缀匹配算法（LPM）路由转发功能模块,有效提升数据包转发效率;通过基于对称RSS的NAT功能模块从而实现并行NAT,加快数据包的处理效率。最后完成高性能防火墙整体实现与完整测试,通过跟基于中断方式的传统防火墙对比,证明了该防火墙系统性能得到了很大的提升。
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