CN116055230A - 一种dpdk睡眠时间控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DPDK睡眠时间控制方法及系统，方法包括：对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；根据吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；根据最大包速率和睡眠时间，生成包速率‑睡眠时间数据；根据包速率‑睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率‑睡眠时间乘幂函数，根据包速率‑睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；根据睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。本发明减小了由睡眠时间对数据传输产生的影响；可以有效地应对突发的数据流变化，在短时间内恢复无丢包传输；在不同数据流传输情况下，将CPU利用率维持在很低水平的同时可以动态调整睡眠时间保障传输性能。

Description

一种DPDK睡眠时间控制方法及系统

技术领域

本发明涉云计算技术领域，具体来说，涉及一种DPDK睡眠时间控制方法及系统。

背景技术

随着云计算技术的兴起，通过广域网或局域网将硬件、软件、网络等资源整合在一起共同为用户提供更高质量服务。网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)通过对传统专有硬件上运行的各类网络服务进行虚拟化，在共享的网络硬件基础上为云计算提供技术支持。从传统的物理网络到虚拟网络的革新，使得越来越多的网络设备基础架构开始逐步向基于通用处理器平台的方向发展。NFV使得网络在变得更加可控制和成本更低的同时，也需要支持大规模用户或应用程序的性能需求，即具备处理海量数据的能力。在对数据处理能力需求提高的同时，网络硬件接口设备也不断更新。目前，10Gbit/s网络广泛应用于各数据中心和运营商网络中，用于连接服务器、交换机和路由器，40Gbit/s到100Gbit/s技术也得以发展。以太网接口速率已扩展至100GE，与此相对比的是大部分服务器CPU主频仍在3GHz以下[1]，只有极少数服务器突破了4GHz。

传统的基于内核的报文处理方式通过中断将报文分发至内核，内核协议栈报文处理完毕后，报文还需要被拷贝到用户空间。当服务器需要接收和处理大规模报文时，内核网络协议栈会产生频繁的中断和内存拷贝，这些开销导致数据包处理速度较慢，也进一步限制了服务器单机处理大规模的报文数据流。

为了解决这一问题，提出了DPDK（Data Plane Development Kit，数据平面开发套件）高性能分组I/O框架，DPDK这种框架绕过内核网络协议栈，利用零拷贝、批处理和繁忙轮询等来实现对数据包的高速处理。DPDK重载了网卡驱动，将数据包的控制平面和数据平面分离，驱动在收到数据包后不再硬中断通知CPU，而是让数据包通过内核旁路的协议栈绕过了Linux内核协议栈，并通过零拷贝技术存入内存，因此，应用层的程序可以通过DPDK提供的接口读取数据包。这种处理方式节省了 CPU 中断时间、内存拷贝时间，提高了网络I/O的性能。

由于DPDK一直需要进行轮询操作，使其对CPU时间周期高占有，使线程总在一个无限循环的过程中处理数据包，导致过度使用CPU周期和功耗，睡眠机制的提出使得CPU利用率得到大幅降低。而如何使得DPDK睡眠机制可以动态自适应不同应用场景下的传输速率，在保证通信质量和低CPU利用率下，进一步提升吞吐效率则就成了目前业内亟需解决的问题。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种DPDK睡眠时间控制方法及系统，以解决现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一方面，提供了一种DPDK睡眠时间控制方法。

该DPDK睡眠时间控制方法，包括：

对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

其中，常见的数据包包括：64字节数据包、128字节数据包、256字节数据包、512字节数据包和1024字节数据包。

其中，根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据包括：根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

其中，根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值时的计算公式为：

式中，是初始睡眠时间，是接收端的包速率，a为幂函数的系数，k为幂函数的幂。

其中，所述睡眠时间策略包括：睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于100us且小于等于400us，则延长睡眠时间降低CPU功耗；睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于400us且小于等于900us，则保障不进入深度睡眠。

根据本发明的另一方面，提供了一种DPDK睡眠时间控制系统。

该DPDK睡眠时间控制系统，包括：

数据预处理模块，用于对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

包速率睡眠时间计算模块，用于数据根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

睡眠时间计算模块，用于根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

睡眠控制模块，用于根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

其中，常见的数据包包括：64字节数据包、128字节数据包、256字节数据包、512字节数据包和1024字节数据包。

其中，所述包速率睡眠时间计算模块包括折线图绘制模块和算术处理模块，折线图绘制模块，用于根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；算术处理模块，用于基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

其中，所述睡眠时间计算模块在根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值时的计算公式为：

式中，是初始睡眠时间，是接收端的包速率，a为幂函数的系数，k为幂函数的幂。

其中，所述睡眠时间策略包括：睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于100us且小于等于400us，则延长睡眠时间降低CPU功耗；睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于400us且小于等于900us，则保障不进入深度睡眠。有益效果

本发明通过分析DPDK中睡眠时间-不同数据包大小和传输速率下的包速率的对应关系，通过最小二乘拟合出对应乘幂曲线，并根据乘幂曲线计算睡眠初始值，再根据睡眠初始值和睡眠时间策略，有效的对睡眠时间进行了对应的控制，进而减小了由睡眠时间对数据传输产生的影响；可以有效地应对突发的数据流变化，在短时间内恢复无丢包传输；在不同数据流传输情况下，将CPU利用率维持在很低水平的同时可以动态调整睡眠时间保障传输性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种DPDK睡眠时间控制方法流程示意图；

图2是根据本发明实施例的一种DPDK睡眠时间控制系统的结构框图。

具体实施方式

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种DPDK睡眠时间控制方法及系统。

如图1所示，根据本发明实施例的一种DPDK睡眠时间控制方法，包括：

步骤S101，对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

步骤S103，根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

步骤S105，根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

步骤S107，根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

在一个实施例中，常见的数据包包括：64字节数据包、128字节数据包、256字节数据包、512字节数据包和1024字节数据包。

在一个实施例中，在根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据时，可根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

具体的，实际操作时，可通过在DPDK的应用场景下，对64、128、256、512、1024这几种常见数据包大小分别进行测试得到对应的睡眠时间和吞吐的五组数据。根据吞吐和数据包大小计算出，相应的无丢包传输下的最大包速率。使用Python编写代码实现多折线图绘制功能，将最大包速率和睡眠时间对应的五条曲线绘制在一起。分析曲线图，可以发现不同数据包大小对应包速率-睡眠时间曲线几乎重合在一起。对五种情况下，相同睡眠时间对应的包速率数据求算术平均得到处理后的包速率-睡眠时间数据。

在一个实施例中，根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值时的计算公式为：

；

式中，是初始睡眠时间，是接收端的包速率，a为幂函数的系数，k为幂函数的幂。

而对于幂函数的系数和幂函数的幂的计算，则可通过如下步骤来实现：

下面关于拟合函数的系数求解中使用、来代替a、k表示拟合函数系数。为求解、，对方程两边均取对数，将待拟合的幂函数转换成线性函数

；

令，x=，，根据上式即有。将对于、的求解转换成为对、的求解。基于最小二乘法进行线性曲线拟合，最小二乘法就是期望拟合后得到拟合函数具有最小的偏差平方和，偏差平方和表达式如下：

；

式中，表示偏差平方，和表示拟合函数值与拟合函数值向量，同理和表示对应实验测试数据和实验数据向量。

根据上述推导，为了进一步得到、与目标函数之间的关系，将拟合函数值代入，得到：

；

其中，表示实验自变量数据，表示自变量矩阵，表示参数向量。进一步将拟合函数值向量带入到目标函数中得到：

；

当偏方差平方和的对应导数为0时，即可求出对应最小偏差平方和的系数。目标函数对参数向量偏导数等于0时，求解对应参数向量如下：

由此，即可计算出参数向量，即得到、，进一步根据的设定得到对应乘幂拟合函数的系数和幂次。

在一个实施例中，对于睡眠时间策略来说，其包括：睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于100us且小于等于400us，则延长睡眠时间降低CPU功耗；睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于400us且小于等于900us，则保障不进入深度睡眠。

具体应用时，将包速率带入到包速率-睡眠时间乘幂函数中，计算求出睡眠时间的初始值。在睡眠时间长度的选取上，限定睡眠时间范围为100-900us，设置100us以上是为延长睡眠时间降低CPU功耗，在900us以下是保障不进入深度睡眠，尽可能减少上下文切换带来的额外开销。初始睡眠时间小于100us时，将睡眠时间设置为100us；初始睡眠时间大于900us时，将睡眠时间设置为900us，来保证对睡眠时间范围的限定。

而由于拟合效果和不同传输情况下存在一定差异，结合上一步中的拟合曲线特征，以400us为界将睡眠时间分为100-400us和400-900us的两阶段。睡眠时长与包速率吞吐为负相关，对不同睡眠时长阶段采取不同程度的睡眠时间降低处理，以换取更大的包速率吞吐余量保障传输质量。当初始睡眠时间在100-400us之间时，睡眠时间值；当初始睡眠时间在400-900us之间时，对应睡眠时间值，其中和表示睡眠时间保护值，可根据具体传输性能表现设置在20-100us之间，并且根据拟合曲线参数应设置小于。

如图2所示，根据本发明实施例的一种DPDK睡眠时间控制系统，包括：

数据预处理模块201，用于对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

包速率睡眠时间计算模块203，用于数据根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

睡眠时间计算模块205，用于根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

睡眠控制模块207，用于根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

对应的，在一个实施例中，所述包速率睡眠时间计算模块203包括折线图绘制模块（图中未示出）和算术处理模块（图中未示出），折线图绘制模块，用于根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；算术处理模块，用于基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过分析DPDK中睡眠时间-不同数据包大小和传输速率下的包速率的对应关系，通过最小二乘拟合出对应乘幂曲线，并根据乘幂曲线计算睡眠初始值，再根据睡眠初始值和睡眠时间策略，有效的对睡眠时间进行了对应的控制，进而减小了由睡眠时间对数据传输产生的影响；可以有效地应对突发的数据流变化，在短时间内恢复无丢包传输；在不同数据流传输情况下，将CPU利用率维持在很低水平的同时可以动态调整睡眠时间保障传输性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种DPDK睡眠时间控制方法，其特征在于，包括：

对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

2.根据权利要求1所述的DPDK睡眠时间控制方法，其特征在于，常见的数据包包括：64字节数据包、128字节数据包、256字节数据包、512字节数据包和1024字节数据包。

3.根据权利要求1所述的DPDK睡眠时间控制方法，其特征在于，根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据包括：

根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；

基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

4.根据权利要求1所述的DPDK睡眠时间控制方法，其特征在于，根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值时的计算公式为：

，

式中，是初始睡眠时间，是接收端的包速率，a为幂函数的系数，k为幂函数的幂。

5.根据权利要求4所述的DPDK睡眠时间控制方法，其特征在于，所述睡眠时间策略包括：

睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于100us且小于等于400us，则延长睡眠时间降低CPU功耗；

睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于400us且小于等于900us，则保障不进入深度睡眠。

6.一种DPDK睡眠时间控制系统，其特征在于，包括：

数据预处理模块，用于对常见的数据包进行测试，得到数据包的睡眠时间和吞吐量信息；并根据所述吞吐量信息和数据包大小，计算数据包的最大包速率；

包速率睡眠时间计算模块，用于数据根据所述最大包速率和所述睡眠时间，生成包速率-睡眠时间数据；

睡眠时间计算模块，用于根据所述包速率-睡眠时间数据，基于最小二乘法拟合出包速率-睡眠时间乘幂函数，并根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值；

睡眠控制模块，用于根据所述睡眠时间初始值和预定睡眠时间策略，对CPU进行睡眠时间控制。

7.根据权利要求6所述的DPDK睡眠时间控制系统，其特征在于，常见的数据包包括：64字节数据包、128字节数据包、256字节数据包、512字节数据包和1024字节数据包。

8.根据权利要求6所述的DPDK睡眠时间控制系统，其特征在于，所述包速率睡眠时间计算模块包括折线图绘制模块和算术处理模块，其中，

折线图绘制模块，用于根据所述最大包速率和所述睡眠时间，采用多折线图方式，绘制最大包速率和睡眠时间折线图；

算术处理模块，用于基于所述最大包速率和睡眠时间折线图，将相同睡眠时间所对应的包速率数据进行算术平均处理，得到包速率-睡眠时间数据。

9.根据权利要求6所述的DPDK睡眠时间控制系统，其特征在于，所述睡眠时间计算模块在根据包速率-睡眠时间乘幂函数，计算睡眠时间初始值时的计算公式为：

，

式中，是初始睡眠时间，是接收端的包速率，a为幂函数的系数，k为幂函数的幂。

10.根据权利要求9所述的DPDK睡眠时间控制系统，其特征在于，所述睡眠时间策略包括：

睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于100us且小于等于400us，则延长睡眠时间降低CPU功耗；

睡眠时间初始值与睡眠时间保护值之差为大于等于400us且小于等于900us，则保障不进入深度睡眠。

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