[發(fā)明專利]一種基于動態(tài)插樁技術(shù)的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110309258.6
• 申請日: 2011-10-13
• 公開（公告）號: CN102346710A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉家軍;郝沁汾;張偉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F11/36
• 分類號: G06F11/36;G06F15/163
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)插樁技術(shù)的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延分析方法，具體涉及到一種運(yùn)用基于動態(tài)插樁技術(shù)對數(shù)據(jù)包處理過程中操作系統(tǒng)內(nèi)核的各個(gè)函數(shù)的處理時(shí)延進(jìn)行分析的方法，屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)分布越來越廣，網(wǎng)絡(luò)流量也越來越大，對于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)性能提出了新的需求和挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心有必要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高服務(wù)器的處理能力。然而，目前許多數(shù)據(jù)中心為了提高服務(wù)器的利用率、簡化服務(wù)器的管理和維護(hù)、提高應(yīng)用程序的可用性、降低成本，大多開始采用虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)有很多的優(yōu)勢，但也會引入額外的開銷，尤其是在I/O虛擬化方面。在虛擬化環(huán)境下，數(shù)據(jù)包的處理過程更加復(fù)雜，傳輸路徑更長，使得總體的網(wǎng)絡(luò)性能很差。

為了對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化，就必須知道系統(tǒng)的瓶頸在哪兒，系統(tǒng)的哪些環(huán)節(jié)開銷最大，然后有針對性的進(jìn)行改進(jìn)。目前有許多人在研究如何提高虛擬化環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能，這些研究大多是從虛擬化的原理出發(fā)，試圖降低虛擬化的開銷，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。然而，這些研究并沒有對數(shù)據(jù)包的處理時(shí)延進(jìn)行量化的分析，目前也沒有工具能夠自動的分析數(shù)據(jù)包從接收到發(fā)送整個(gè)處理過程中的各個(gè)函數(shù)的時(shí)延。本發(fā)明基于動態(tài)插樁技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠自動分析操作系統(tǒng)內(nèi)核各個(gè)函數(shù)在數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收過程中的時(shí)延的方法。

插樁技術(shù)是一種在軟件測試中有廣泛的運(yùn)用，GCC編譯器也提供相應(yīng)的功能用于測試代碼覆蓋率，有些操作系統(tǒng)也支持插樁技術(shù)，如Solaris的DTrace、Linux的Kprobe等。動態(tài)插樁技術(shù)則更近一步，能夠在程序運(yùn)行的時(shí)候動態(tài)的將一段代碼插入到程序的某個(gè)位置用于收集信息或改變程序的行為，而不需要對原程序作任何修改。本發(fā)明就是基于動態(tài)插樁技術(shù)對操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)包處理時(shí)延進(jìn)行分析的。

(三)發(fā)明內(nèi)容

1、目的

本發(fā)明的目的是提供一種基于動態(tài)插樁技術(shù)的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延分析方法，它能夠統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)包處理過程中操作系統(tǒng)內(nèi)核的每個(gè)函數(shù)所消耗的時(shí)間以及在隊(duì)列中排隊(duì)等待的時(shí)間，為進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

2、技術(shù)方案

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于動態(tài)插樁技術(shù)的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延分析方法，其總體的框架如圖1所示，圖1中的機(jī)器可以是真實(shí)的計(jì)算機(jī)，也可以是通過虛擬化軟件虛擬出來的虛擬計(jì)算機(jī)，圖1中的機(jī)器1和機(jī)器2主要是從功能的角度來劃分的，它們可以同時(shí)部署在同一個(gè)物理機(jī)上。機(jī)器1的主要功能是提供控制界面，分析并輸出結(jié)果，機(jī)器1上部署了發(fā)包模塊和統(tǒng)計(jì)模塊，機(jī)器2的主要功能是收集信息，并將收集到的信息反饋給機(jī)器1，機(jī)器2上部署了插樁模塊和收包模塊。具體流程如圖2所示，本發(fā)明一種基于動態(tài)插樁技術(shù)的數(shù)據(jù)包處理時(shí)延分析方法，該方法包括以下步驟：

步驟201.在機(jī)器2上收集內(nèi)核符號表，獲取內(nèi)核函數(shù)與地址的對應(yīng)關(guān)系，輸出可以進(jìn)行插樁的函數(shù)列表，并傳遞給機(jī)器1。

步驟202.在機(jī)器1上根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)，確定需要分析的函數(shù)，輸出需要插樁的函數(shù)列表，并傳遞給機(jī)器2。

步驟203.將步驟202所確定的函數(shù)列表傳遞到機(jī)器2上，機(jī)器2運(yùn)用動態(tài)插樁技術(shù)在需要監(jiān)控的函數(shù)的頭部插入一段代碼，該代碼會將函數(shù)的地址和當(dāng)前的時(shí)間戳寫入數(shù)據(jù)包。

步驟204.啟動收包模塊和發(fā)包模塊。機(jī)器1開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包傳遞到機(jī)器2的內(nèi)核之后，若檢測到數(shù)據(jù)包的目的地是機(jī)器2的收包模塊的話，就將當(dāng)前正在執(zhí)行的函數(shù)的地址和時(shí)間戳寫入數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)機(jī)器2的收包模塊時(shí)，收包模塊將數(shù)據(jù)包返還給機(jī)器1，機(jī)器1的發(fā)包模塊將來自機(jī)器2的數(shù)據(jù)包以文件的形式存儲起來。

步驟205.機(jī)器1統(tǒng)計(jì)所有來自機(jī)器2接收模塊的數(shù)據(jù)包，計(jì)算并輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

其中，步驟201在機(jī)器2上收集內(nèi)核符號表是要收集正在運(yùn)行的內(nèi)核的符號表，內(nèi)核符號表中記錄了內(nèi)核函數(shù)和變量在內(nèi)存中的地址，在Linux系統(tǒng)下，通過讀取/boot目錄下與內(nèi)核版本相對應(yīng)的System.map或直接讀取/proc/ksyms就可以獲取到內(nèi)核符號表了，此外，還可以通過分析內(nèi)核文件或內(nèi)核調(diào)試信息來獲得的內(nèi)核符號表。由于內(nèi)核符號表中不僅記錄了內(nèi)核函數(shù)的在內(nèi)存中的地址，還記錄了內(nèi)核變量的地址，因此需要對讀取到的內(nèi)核符號表進(jìn)行分析，過濾掉那些非函數(shù)的內(nèi)核符號，輸出所有內(nèi)核函數(shù)的符號表，這些函數(shù)就是可以進(jìn)行插樁的函數(shù)列表，確定之后，將其傳遞給機(jī)器1。