浅论共享存储机群中用户级通信协议的实现和性能

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1、中国科学院计算技术研究所硕士学位论文共享存储机群中用户级通信协议的实现和性能姓名：尹宏达申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：唐志敏20040601共享存储机群中用户级通信协议的实现和性能：摘要在机群环境中，所有的主机都通过一个高速的互连网络组成分布式系统，底层的网络硬件通常具备几个微秒的网络硬件延迟和千兆比特每秒的带宽。然而传统的通信协议在通信的关键路径上需要进行状态切换和数据拷贝，而且在接收数据时将会发生频繁的中断，以至于通信软件不能充分地把网络硬件的高性能传递给用户进程。本文将主要介绍用户级通信库的实现方法和性能的分析优化。本通信库通过在数据的收

2、发过程中绕过操作系统的干预，把原本需要由操作系统内核在系统态下完成的通信协议处理转移到用户空间由用户进程在用户态下完成：通过建立地址映射关系，我们可以使用户进程直接访问网络接口卡上的寄存器，同时也让网络接口卡直接访问用户进程空间的数据。在通信库的实现中，我们在机群内各结点间的通信过程中尽量避免中断的发生。这一方面可以通过预先初始化接收缓冲区，减少其在接收消息时发生的中断数量；另一方面可以由通信软件和网络接口硬件配合完成远程直接内存访问，减少共享存储机群中访问远程数据而引起的中断和数据拷贝。我们所设计实现的用户级通信库适用于共享存储机群环境，可以获得较好的性能：在

3、PingPong测试程序下，最低单向延迟5．59#s，I／O总线的带宽利用率达到88％。我们对获得的初步结果进行了进一步的优化，优化后单向延迟平均下降了0．7#s，I／O总线的带宽利用率超过94％。本文的研究工作表明：在共享存储机群中，采用用户级通信技术可以有效地将网络互连硬件的性能提供给上层应用程序。关键词：用户级通信，远程直接内存访问，共享存储机群。苎主查堡塑鲎主旦!堑翌堕垫堡塑塞墨塑堡堕：竺!!竺!TheImplementationandPerformanceofUser-levelCommunicationProtocolforSharedMemoryC

4、lustersHongdaYin(ComputerArchitecture)DirectedByProf．ZhiminTangInclusterenvironments，allhostsareconnectedtobeadistributedsystembythehigh—speednetwork；thenetworkhardwareusuallyprovidesverylowlatencyandhighbandwidth．Buttraditionalcommunicationprotocolsintroducetheoverheadsofprocesscont

5、extswitch，memorycopiesandfrequentinterruptsinthecriticaldatapath，theaboveoverheadsmakethecommunicationsottwareunabletosufficientlydeliverthehardwareperformancetouserprocesses．Thisthesisillustratestheimplementationaswellastheperformanceanalysisandoptimizationofuser-levelcommunicationl

6、ibrary．Themainideaofuser-levelcommunicationisbypassingtheOSkernelwhenpassingmessages，sothesoftwareprocessingthatisformerlyexecutedinthekernelmodeisnowimplementedintheuserspace．Bycreatingtheaddressmappingproperly,userprocessisallowedtoaccesstheregistersonnetworkinterfacedirectly,inthe

7、meantime，thenetworkinterfacecallaccessthedataintheuserspacestraightway．Intheimplementationofourcommunicationlibrary,wealsoreducethefrequencyofinterruptsduringcommunication．Toachievethisgoal，the“pre-post”techniqueisadoptedtoavoidinterruptswhenreceivingmessages；thecommunicationsoftware

8、andnetworkin