基于FT-2000/4的数据高速接入与分发系统设计与实现

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先进电信计算架构(Advanced Telecommunications Computing Architecture,ATCA)在网络通信和高性能计算平台的设计中,得到广泛应用。随着国产处理器的性能不断发展,以及国家在信息化建设过程中,对基础设施的自主可控要求提高,基于国产处理器的ATCA架构的产品平台设计,受到国内厂商的重视。FT-2000/4国产处理器集成4个飞腾自主研发的新一代高性能处理器内核FTC663,凭借其出色的性能表现,被广泛应用于自主可控产品的设计中。但在ATCA平台内,FT-2000/4国产处理器由于传统网络I/O的过高开销,往往无法满足高速线路接入需求,极大限制其应用场景。本文结合自主可控ATCA平台的数据接入单元的设计需求,提出一种基于FT-2000/4的数据高速接入与分发系统,利用Intel推出的数据平面开发套件(Data Plane Development Kit,DPDK),从软件加速数据包处理的角度出发,提升基于FT-2000/4处理器设计实现的自主可控ATCA单板的数据接入能力。最后,提出一种自适应流量控制算法,利用ATCA架构平台的节点间信息共享优势,通过反馈控制的方式,动态调整数据匹配分发端口,有效解决静态流分发策略不合理导致的业务节点超负荷问题。主要研究工作如下:(1)为了满足自主可控ATCA平台在实际项目场景中,多种数据类型的接入需求,提出一种基于FT-2000/4的可重构数据处理模块设计方案。该方案通过对ATCA单板的硬件资源进行解耦,以FT-2000/4处理器为核心,基于COM Express标准设计模块化通信处理机,能够将FT-2000/4处理器的主要I/O通过Type类型连接器映射到底板上,提升单板的可扩展性和通用性,便于FT-2000/4 COM Express计算机模块在不同功能底板上的灵活组合。实验表明,基于FT-2000/4的数据接入单板设计方案充分合理利用FT-2000/4处理器的外部接口资源,能够为线路侧提供PCIe通道用于高速数据接口的配置,面向Fabric通道提供两个10GE网口用于实现数据平面和业务平面,另外有多个GE网口可用于Base控制平面实现和调试端口。(2)基于FT-2000/4的数据接入单板在实际使用原始套接字设计数据处理软件时,仅能提供150Mbps的数据吞吐量,远远低于线速的同时,也无法满足技术需求。因此,针对FT-2000/4的软件数据包加速处理方法展开研究,提出一种基于DPDK的数据接入软件系统设计方案,优化数据包处理流程,减小系统开销。并且根据技术需求,设计线路接入控制、流量过滤等软件功能模块。实验表明,基于DPDK的数据接入软件系统与使用原始套接字获取数据链路层的数据帧的方式相比,对于128byte的短包、1024byte的长包和128-1480byte的变长包数据接入能力分别提升了533%、300%和333%。(3)DPDK在多端口的数据包查表转发的过程中支持精确匹配(Exact Match,EM)、最长前缀匹配(Longest Prefix Match,LPM)和通配符匹配(Access Control Lists,ACL)三种常用的报文匹配算法,但是静态的数据分发方式在业务节点出现超负荷状态时缺乏自我调整的能力,容易造成数据丢失。因此,提出一种面向ATCA架构平台的动态分发机制,利用Base控制平面实时获取各业务节点的负载信息,通过反馈控制的方式迭代优化数据包分发规则。实验表明,基于ATCA的动态分发策略能够在有限次的迭代后有效平衡业务节点与当前数据流的负载关系。最后,对基于FT-2000/4的数据高速接入与分发系统在实际应用环境下的功能完整性进行测试。通过选用合适的自主可控ATCA单板搭建硬件测试平台,利用流量仪构造以太网数据流,测试系统数据包接入和分发过程中通信链路是否可达,并且通过调整数据流负载验证DPDK优化技术给实际应用场景带来的数据接入能力的提升。另外,采取在各个节点部署流量监测模块的形式,实现了硬件平台中对业务节点负载情况的度量,验证了动态流量分发策略的可行性。
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