UČINKOVITE IZVEDBE OMREŽNIH NAPRAV NA VEČJEDRNIH RAČUNALNIŠKIH PLATFORMAHBUH, TOMAŽ (Avtor) Trobec, Roman (Mentor) omrežna napravavečjedrna platformarazporejanje omrežnega prometavzporedni sistemivirtualizacija omrežijučinkovitosturavnovešenje bremenazamenjava vrstnega reda omrežnih paketovV doktorski disertaciji obravnavamo izboljšave večjedrnih omrežnih naprav na področju zmogljivosti in učinkovitosti. Glavni motiv za izboljšave so stalno prisotne zahteve po hitrih in zanesljivih povezavah med elektronskimi napravami vseh tipov. Te naprave omogočajo uporabnikom številne omrežne storitve, pri katerih je zahtevana neprekinjena povezljivost. Omrežja, ki to povezljivost omogočajo, vzpostavljajo in vzdržujejo omrežni operaterji, ki potrebujejo vedno bolj učinkovite izvedbe omrežnih naprav, s katerimi lahko zagotavljajo visoko kakovostne in stroškovno učinkovite omrežne storitve. Visoke zmogljivosti in energijsko učinkovitost je mogoče doseči z uporabo večjedrnih računalniških platform, ki v omrežjih pospešeno zamenjujejo enojedrne platforme. Uporaba večjedrnih platform sama po sebi ne prinese povečanja zmogljivosti, če jim programska oprema ni prilagojena, tako da lahko ustrezno izkorišča razpoložljive sistemske vire. Postopki obdelave omrežnega prometa v omrežnih napravah morajo biti izvedeni vzporedno, kar lahko dosežemo na dva načina: a) z uravnoteženim razporejanjem omrežnega prometa na razpoložljiva procesorska jedra in b) z vzporedno izvedbo omrežnih funkcionalnosti, ki jih nudi omrežna naprava. Za osnovi cilj doktorskega dela smo si zadali razvoj in ovrednotenje dveh inovativnih izboljšav za povečanje zmogljivosti in učinkovitosti večjedrnih omrežnih naprav. Prvo izboljšavo predstavlja adaptivna metoda razporejanja omrežnega prometa, ki smo jo zasnovali kot kombinacijo razporejanja omrežnega prometa na podlagi omrežnih paketov in na podlagi tokov. Pri tem je vsakemu procesorskemu jedru dodeljena izbrana količina žetonov, ki določajo koliko omrežnih paketov sme določeno jedro obdelati. Vsak obravnavan paket zmanjša število žetonov za enega. Žetoni se periodično prerazporejajo glede na povprečno obremenjenost procesorskih jeder, s čimer je breme obdelave omrežnega prometa uravnoteženo razporejeno med razpoložljiva jedra. Če omrežni paket sprejme jedro, ki nima več na voljo nobenega žetona, ga posreduje najbližjemu sosednjemu jedru, ki ima dostop do skupnega predpomnilnika, s čimer se minimalno poveča čas medjedrne komunikacije. Opisano metodo razporejanja omrežnega prometa smo vključili v omrežno napravo Linux Bridge in jo v preizkusnem okolju ovrednotili z dvema scenarijema. Pri prvem scenariju smo posnemali najmanj ugodne pogoje delovanja, pri katerih je poudarek na enem prevladujočem podatkovnem toku v omrežnem prometu, ki je vseboval veliko količino omrežnih paketov. Pri drugem scenariju pa smo posnemali hrbtenično internetno povezavo, pri čemer je mrežni promet sestavljen iz večjega števila tokov s približno enakomerno porazdelitvijo omrežnih paketov. V prvem primeru se zmogljivost, ki jo merimo s prepustnostjo, z uporabo predlagane izboljšave poveča za 2,8-krat, pri čemer smo uporabili štiri procesorska jedra. V drugem primeru pa zmogljivost ostane na približno enakem nivoju, kot pri razporejanju omrežnega prometa na podlagi tokov, ki je privzet način obravnave omrežnih paketov. Drugo izboljšavo predstavlja vzporedna izvedba šifriranja omrežnega prometa, s katerim sta zagotovljeni varnost in zasebnost omrežnih povezav. Pri tem smo uporabili kombinacijo postopkovne in podatkovne dekompozicije, s katero smo izvedbo pogostih šifrirnih algoritmov razdelili na več opravil, ki lahko tečejo sočasno. Ta opravila se morajo medsebojno usklajevati, kar med njimi zahteva dodatno komunikacijo, ki lahko zmanjša učinkovitost vzporedne izvedbe. Dodatna komunikacija ima sicer pri šifrirnih algoritmih, ki so večinoma računsko nezahtevni, še posebej velik učinek, saj lahko relativno malo komuniciranja hitro izniči pohitritve, ki so dosežene z vzporedno izvedbo. V okviru izboljšave smo zato dodatno optimizirali komunikacijo med opravili z uporabo atomarnih spremenljivk in vhodno-izhodnih vrst, ki ne potrebujejo zaklepanja kritičnih delov program. Vsa opravila smo dodelili sosednjim jedrom z dostopom do skupnega predpomnilnika in tako povečali hitrost medjedrne komunikacije. Rezultati vrednotenja prikazujejo dosežene pohitritve na računalniku z dvanajstimi jedri: 1,9 pri AES in 6,3 pri 3DES ter 7,6 pri RSA šifrirnem algoritmu. Poleg dveh opisanih izboljšav je v disertaciji predstavljena tudi metodologija za sistematično vrednotenje zmogljivosti in učinkovitosti večjedrnih omrežnih naprav. Definirali smo ključne kriterije za ovrednotenje zmogljivosti in učinkovitosti, ki poleg standardnih meril za zmogljivost in kakovost zagotavljanja storitev, vsebujejo tudi merila za merjenje izkoriščenosti sistemskih virov kot npr. obremenjenost procesorskih jeder, delež zadetkov predpomnilnika, pohitritve in učinkovitost vzporednih izvedb. Opisani so tudi postopki sistematičnega vrednotenja učinkovitosti omrežnih naprav, ki vključujejo izgradnjo preizkusnega okolja, pripravo preizkusnih orodij, izvedbo preizkusnih postopkov in analizo rezultatov. Predstavljena metodologija je bila uporabljena za izvedbo primerjalnih meritev med različnimi izvedbami omrežnih naprav s poudarkom na primerjavi tradicionalnih strojno definiranih in hitro razvijajočih se programsko definiranih omrežnih napravah, ki tečejo na splošno dostopnih računalniških platformah. Primerjava je pokazala, da so strojno definirane omrežne naprave bistveno bolj zmogljive in tudi energijsko učinkovitejše v primerjavi s programsko definiranimi napravami. Le-te pa so zaradi veliko večje fleksibilnosti veliko bolj stroškovno učinkovite, saj je njihov razvoj enostavnejši in hitrejši, hkrati pa lahko pouporabljajo obstoječo računalniško opremo. Vanje je tudi enostavnejše vključevati inovativne izboljšave, kot npr. metode predstavljene v tem delu, hkrati pa se lažje vključujejo v sodobne koncepte omreženja, kot npr. virtualizacija omrežnih funkcionalnosti.20152015-02-23 12:35:06Doktorsko delo/naloga30586VisID: 29701COBISS_ID: 10951508sl