CN107659515A - 报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器 - Google Patents

报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器。所述方法包括：对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文；将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。本发明能够在不增加硬件成本和系统复杂度的基础上降低上层应用获取报文时对CPU资源的占用。

Description

报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器
技术领域
本发明涉及服务器技术领域，尤其涉及一种报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器。
背景技术
在基于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网络协议)的网络环境中，长度为64字节的小包大约占有总流量的40％。目前加速卡产品通常采用PCIe(Peripheral Component Interconnect express，高速外设组件互连)接口将报文交付CPU，上层应用获取小包时会频繁产生中断请求，导致CPU占用率非常高，会导致上层应用对核心业务的处理能力降低。
目前可以采用硬件将小包丢弃的方法减少上层应用处理小包时对CPU的占用。采用这种方法需要硬件进行TCP连接管理和重排序，这样只需要将TCP连接负载交付给CPU，三次握手报文(SYN、SYN&ACK、ACK)和没有TCP负载的报文在硬件丢弃。
硬件基于连接管理实现比较复杂，需要使用大量的专用处理芯片资源，增加了整个系统的复杂度，主要表现在以下两个方面：
第一，硬件成本高。基于硬件实现连接管理的数据处理流程较复杂，需要报文处理芯片具有丰富的资源。另外连接管理和重排序需要大量缓存空间，连接管理一般采用哈希的二层链表结构，维护千万连接需要8G的片外缓存芯片。且TCP连接管理需要多次查表操作，所以需要2个片外缓存，以提高访存带宽。
第二，增加了系统的复杂度。如果硬件实现TCP连接管理，需要上层应用从基于单包处理方式修改基于连接处理方式，并且目前CPU主频很高且内存都很大，TCP连接管理适合在软件层面实现。
发明内容
本发明提供的报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器，能够在不增加硬件成本和系统复杂度的基础上降低上层应用获取报文时对CPU资源的占用。
第一方面，本发明提供一种报文处理方法，包括：
对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；
建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；
对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；
当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文；
将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
可选地，所述将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡包括：
根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
可选地，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
可选地，所述UDP报文还包括MAC头。
第二方面，本发明提供一种报文处理装置，包括：
报文解析单元，用于对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；
报文分流单元，用于建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；
报文信息获取单元，用于对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；
报文封装单元，用于当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文；
报文发送单元，用于将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
可选地，所述报文分流单元，用于根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
可选地，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
可选地，所述UDP报文还包括MAC头。
第三方面，本发明提供一种报文处理芯片，所述报文处理芯片包括上述报文处理装置。
第四方面，本发明提供一种服务器，所述服务器包括上述报文处理芯片以及与所述报文处理芯片连接的多个CPU核。
本发明实施例提供的报文处理方法、装置、报文处理芯片及服务器，建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的以太网报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡，当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。与现有技术相比，本发明通过将小包形式的以太网报文封装为大包形式的UDP报文，并且负载均衡到多个CPU核，能够减少上层应用获取报文时对CPU资源的占用；另外，通过负载均衡，充分利用服务器的多核优势，增强上层应用的业务处理能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的报文处理方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的队列超长和超时管理示意图；
图3为本发明实施例提供的报文封装格式示意图；
图4为本发明实施例提供的报文处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种报文处理方法，如图1所示，所述方法包括：
S11、对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址。
S12、建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡。
具体地，根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
S13、对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长。
S14、当报文队列中所有报文的总长度超过MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)报文。
其中，MTU可以根据实际网络环境中设备参数进行动态设置，一般为1518字节。
其中，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，IP头和UDP头与TCP/IP定义一致，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
可选地，根据上层应用的选择，所述UDP报文还可以包括MAC(Media AccessControl，媒体访问控制)头。
S15、将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
本发明实施例提供的报文处理方法，建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的以太网报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡，当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。与现有技术相比，本发明通过将小包形式的以太网报文封装为大包形式的UDP报文，并且负载均衡到多个CPU核，能够减少上层应用获取报文时对CPU资源的占用；另外，通过负载均衡，充分利用服务器的多核优势，增强上层应用的业务处理能力。
下面结合具体实施例对本发明报文处理方法进行详细说明。
在本实施例中，接入为万兆以太报文，实际以太网环境下，64字节小包所占比例大约为40％，1518字节报文所占比例大约为40％，其他长度报文所占比例大约为20％，为降低上层应用获取小包占用较高CPU资源，本发明实施例采用拼包策略，将多个小包拼接封装为大包。具体由专用报文处理芯片实现，拼接封装处理流程如下：
首先，报文从光纤接入到专用处理芯片，经过串并转换、帧定界和帧校验，分离出以太网报文。
然后，识别报文二层、三层和四层协议及各层头部偏移信息，提取报文特征，报文特征主要包括报文长度和二元组(IP头部中的源IP地址和目的IP地址)。可识别的报文类型包括IPv4，IPv6，VLAN、DVALN、MPLS、IPINIP隧道报文等。
接着，以二元组为输入计算哈希值，哈希方法可采用CRC32、RSS和哈希方程，根据线网流量特征动态切换，保证分流到各个队列报文数目基本相等。由于服务器采用多核CPU，最多支持64个，所以本发明实施例在硬件根据CPU核数申请多个队列，每个队列对应一个CPU核。将报文分流到多个队列中并且保证同源同宿，即具有相同源目IP地址的报文分流到一个队列。
再然后，对报文队列中的报文进行缓存。报文缓存可以采用专用芯片内的高速缓存，也可以采用片外的缓存如DDR4SDRAM等。
接着，当报文队列总长度超过MTU即超长或报文队列第一个报文存入时间超过最大时长时，将该报文队列中的所有报文封装为UDP报文发送给对应的CPU核，并交付上层应用。
为保证充分利用服务器各个CPU核，专用报文处理芯片采用多队列处理机制，每个队列对应一个CPU核，最大支持64个。
如图3所示，本发明实施例采用64个报文队列，每个队列描述符包括两部分，一个是队列中所有报文的长度总和以及队列中存入第一个报文时的时间戳。报文超时管理模块和队列长度管理模块周期扫描报文队列信息，当超时或超长发生时，发起报文封装请求。
队列超时管理模块扫描各个报文队列的长度信息，当长度超过MTU时发起报文封装请求，将该发送队列的所有报文封装为一个UDP报文交付给上层应用。
由于上层应用对报文处理延时有要求，一般为2ms，所以本发明实施例的处理延迟要控制在1ms，另外1ms留给软件消耗。队列超时管理模块扫描各个报文队列存入第一个报文的时间戳信息，当时间戳超过1ms，发起报文封装请求，将该发送队列的所有报文封装为一个UDP报文交付给上层应用。
另外，报文队列可能同时发生超长和超时，所以在报文封装模块采用位图形式记录已经发起请求标注，因为超时优先级高，所以在超长发起报文封装请求前需要检查改位图，确保不会重复发送报文封装请求。
如图4所示，为报文封装格式，其中MAC头可以根据上层应用选择是否添加，IP头和UDP头与TCP/IP定义一致，报文组包括报文和个数和封装的各个报文及长度。
本发明实施例还提供一种报文处理装置，如图4所示，所述装置包括：
报文解析单元11，用于对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；
报文分流单元12，用于建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；
报文信息获取单元13，用于对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；
报文封装单元14，用于当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文；
报文发送单元15，用于将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
可选地，所述报文分流单元12，用于根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
可选地，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
可选地，所述UDP报文还包括MAC头。
本发明实施例提供的报文处理装置，建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的以太网报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡，当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。与现有技术相比，本发明通过将小包形式的以太网报文封装为大包形式的UDP报文，并且负载均衡到多个CPU核，能够减少上层应用获取报文时对CPU资源的占用；另外，通过负载均衡，充分利用服务器的多核优势，增强上层应用的业务处理能力。
本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种报文处理芯片，所述报文处理芯片包括上述报文处理装置。
本发明实施例还提供一种服务器，所述服务器包括上述报文处理芯片以及与所述报文处理芯片连接的多个CPU核。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种报文处理方法，其特征在于，包括：
对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；
建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；
对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；
当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为用户数据报协议UDP报文；
将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡包括：
根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述UDP报文还包括媒体访问控制MAC头。
5.一种报文处理装置，其特征在于，包括：
报文解析单元，用于对接收到的以太网报文进行解析，得到各报文的报文长度、源IP地址和目的IP地址；
报文分流单元，用于建立与多个CPU核一一对应的报文队列，将具有相同源IP地址和目的IP地址的报文分流到同一个队列并进行缓存，且各队列的报文数量保持均衡；
报文信息获取单元，用于对于每个报文队列，实时获取队列中所有报文的总长度以及第一个报文的存入时长；
报文封装单元，用于当报文队列中所有报文的总长度超过最大传输单元大小或者第一个报文的存入时长超过预定时长时，将所述报文队列中所有报文封装为UDP报文；
报文发送单元，用于将所述UDP报文发送给与所述报文队列对应的CPU核。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述报文分流单元，用于根据报文的源IP地址和目的IP地址计算哈希值，将具有相同哈希值的报文分流到同一个队列，且各队列的报文数量保持均衡。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述UDP报文包括IP头、UDP头和报文组，其中，所述报文组包括报文个数、封装的各个报文及其长度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述UDP报文还包括MAC头。
9.一种报文处理芯片，其特征在于，所述报文处理芯片包括如权利要求5至8中任一项所述的报文处理装置。
10.一种服务器，其特征在于，所述服务器包括权利要求9所述的报文处理芯片以及与所述报文处理芯片连接的多个CPU核。
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