【摘 要】
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随着无线通信技术的发展,需要高速无线通信的应用得到迅速发展。这些应用和海量的接入终端对无线接入设备和服务端应用程序的网络通信能力提出了很大的挑战。而传统的网络协议栈处理方式,在设计之初并没有考虑到海量的网络通信需求,不能满足如此高速率和低延时的性能要求。本文通过分析网络通信的整个过程,识别性能瓶颈,提出通过用户空间网络系统和完备的内核空间协议栈的有机配合,来实现高性能网络通信功能的轻量级系统架构,
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随着无线通信技术的发展,需要高速无线通信的应用得到迅速发展。这些应用和海量的接入终端对无线接入设备和服务端应用程序的网络通信能力提出了很大的挑战。而传统的网络协议栈处理方式,在设计之初并没有考虑到海量的网络通信需求,不能满足如此高速率和低延时的性能要求。本文通过分析网络通信的整个过程,识别性能瓶颈,提出通过用户空间网络系统和完备的内核空间协议栈的有机配合,来实现高性能网络通信功能的轻量级系统架构,并进行了原型实现和性能验证。本文的主要工作有:（1）分析传统协议栈机制以及存在的问题和相关的改进方案,提出充分利用轻量级用户空间栈的高效性和固有内核空间栈的完备性相结合的网络通信思路。（2）基于数据包的解析分发和无内存拷贝的数据交换系统。引入易扩展的交换系统实现数据交换,系统中通过解析数据包头提取数据包的协议数据作为数据包描述信息,并使用描述信息与路由信息匹配分发给不同的应用程序,用共享内存的方式避免数据包的拷贝完成数据报文的交换,提高通信性能。（3）将控制面与用户面分离,实现了确定性的交换系统配置,避免了用户面通信中连接建立和地址协商的开销,提高通信效率,同时抽象出基于服务的通信模型,将应用服务和通信协议解耦合,并可以动态检测应用程序的状态。（4）内核栈应用与用户栈应用的互通信,内核栈与用户栈有不同的地址空间,同时要保证用户栈对内核栈的透明性,本文通过ARP过程的支持和服务地址注册实现不同主机间互通信,通过应用代理避免同主机传输端口冲突,使用DNAT和MAC地址注册实现本机跨栈应用程序间的互通信。（5）详细介绍了整个系统的软件框架和具体实现,依据系统需求完成了功能测试和性能测试,并与传统标准协议栈通信性能进行比较,在数据报文大小为64字节时通信速率为传统系统的11倍以上,通信延时为原系统的1/6。本文通过用户空间协议栈和内核空间协议栈的有机配合,设计和实现具有高性能的开发维护简便的轻量级用户空间网络通信系统。它既提高了通信性能,同时具有较低的开发和维护成本,快速在应用环境中部署,具有较大的应用价值。
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