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目前,互联网的繁荣与发展推动了网络规模的迅速扩大以及网络功能种类的不断增长,而采用专用硬件网元的传统网络架构存在着结构僵化、新功能部署速度慢、开发周期长的问题。为了解决这一难题,业内提出了网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)架构。该架构采用虚拟化技术将硬件资源池化,并将其作为虚拟资源以便统一管理和调度。虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)是NFV的重要组成部分,它是基于软件形式的网络功能,能够实现网络功能与专用硬件设备的解耦合,提高了网络的灵活性和可扩展性。然而,由于软件在数据处理方面性能较差,导致了VNF的数据处理性能有限,无法满足网络业务的服务质量要求,阻碍了网络功能的创新和部署。因此,在保证数据中心灵活性的前提下,利用有限资源实现VNF数据包的高速处理具有重要意义。本课题依托于国家重点基础研究发展计划项目(973计划)——“网络组件模型和聚类机制”,对VNF数据包处理加速技术进行了研究,分别设计了面向无状态VNF的硬件加速结构、面向有状态VNF的硬件加速架构和面向数据中心的加速资源部署方案与调度策略。主要创新点列举如下:(1)针对无状态VNF数据处理性能低的问题,提出了一种功能自适应资源可分割的硬件加速结构。该结构通过采用可编程解析器,实现了用户可配置的协议解析;并设计了资源可分割的匹配表,将存储资源分割为细粒度的匹配表,从而提高资源利用率,并保证各加速器之间的独立性;最后采用资源分割优化算法,降低了硬件加速结构的存储资源开销。与未加速的情况相比,本文提出的硬件加速结构能够将无状态VNF的数据包吞吐量提升60.2倍,且资源开销优化率平均为36.6%。(2)针对目前有状态VNF采用无状态硬件加速器后加速效果不理想的问题,提出了一种有状态功能处理硬件加速结构。该结构对无状态数据平面流水线进行改造,能够在硬件加速器中完成数据包的状态转移操作,使得硬件加速结构具备了有状态数据包的处理能力,从而提高对有状态VNF的加速效果;采用了资源分配优化算法,降低存储资源开销。本方案中有状态VNF数据包处理的吞吐量是采用DPDK加速时的2.9倍,是采用无状态硬件加速器的1.7倍。同时,资源开销优化率平均为35.2%。(3)设计了一种面向NFV数据中心的硬件加速平台,实现了加速资源在数据中心内的部署并对其进行管理。该硬件加速平台主要由支持动态局部可重构的FPGA组成,通过为VNF独立、动态地分配加速资源以提高VNF吞吐量;同时,设计了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的加速资源动态调度策略,与优化前的方案相比,该策略能够将总加速收益平均提高10.4%。