[發(fā)明專利]利用內(nèi)存零復(fù)制降低云計算網(wǎng)絡(luò)傳輸能源消耗的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210117954.1
• 申請日: 2012-04-22
• 公開（公告）號: CN102629946A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋翔;施繼成;夏虞斌;陳海波;臧斌宇
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L12/24
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于云計算平臺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低云計算網(wǎng)絡(luò)傳輸能源消耗的方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著云計算的迅猛發(fā)展，各大公司都推出了服務(wù)器規(guī)模達到數(shù)以百萬計的大型數(shù)據(jù)中心。這些數(shù)據(jù)中心對能源的消耗非常高，這與當(dāng)今世界“低碳節(jié)能環(huán)保”的主題產(chǎn)生了矛盾。因此，如何在保證計算中心服務(wù)能力的同時，盡可能降低其對能源的消耗，成為了一個重要的課題。因此，本專利所描述的節(jié)能方法，能夠通過降低完成相同計算任務(wù)的前提下服務(wù)器所消耗的能量，從而為節(jié)能事業(yè)做出貢獻。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是云計算平臺的重要操作之一。無論是云平臺中運行的用戶服務(wù)，還是平臺自身的維護與管理操作，都會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸。因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成為了云平臺能量消耗的重要組成部分。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會在內(nèi)存中進行多次復(fù)制：首先從用戶內(nèi)存空間復(fù)制至內(nèi)核進程空間，再從內(nèi)核進程空間復(fù)制至設(shè)備內(nèi)存。其中，前一次的內(nèi)存復(fù)制是為了保證在內(nèi)核傳輸數(shù)據(jù)時，應(yīng)用程序不會對數(shù)據(jù)進行修改；但這次內(nèi)存復(fù)制并不是必須的。本發(fā)明通過引入網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹傲銖?fù)制”技術(shù)，去掉了這次額外的內(nèi)存復(fù)制操作，從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂鄰?fù)制，在提高性能的同時也很好的減少了完成相同工作所耗費的能源。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種能夠方便、有效降低云計算網(wǎng)絡(luò)傳輸能源消耗的方法。

本發(fā)明提出的降低云計算網(wǎng)絡(luò)傳輸能源消耗的方法，是通過減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時的冗余內(nèi)存復(fù)制操作，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩档屯瓿蓚鬏數(shù)哪芰肯模瑥亩鴾p少服務(wù)器能耗。

本發(fā)明的主要原理為：用戶指定需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)存位置，標(biāo)記為“零復(fù)制”區(qū)域，由操作系統(tǒng)直接發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而避免從應(yīng)用到內(nèi)核的數(shù)據(jù)復(fù)制，避免不必要的能量消耗。具體來說：第一，由用戶指定“零復(fù)制”網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在內(nèi)存中的區(qū)域。第二，通過零復(fù)制內(nèi)存管理庫函數(shù)分配需要網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)存區(qū)域。第三，通過操作系統(tǒng)中的零復(fù)制代理模塊，直接將數(shù)據(jù)從用戶的內(nèi)存?zhèn)鬏斨辆W(wǎng)絡(luò)設(shè)備。第四，通過操作系統(tǒng)中的零復(fù)制數(shù)據(jù)保護模塊，對數(shù)據(jù)傳輸過程中的用戶內(nèi)存寫操作進行寫時復(fù)制從而保護數(shù)據(jù)的完整性。第五，通過減少多余的內(nèi)存復(fù)制操作，有效提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑝嚎s網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，從而降低完成等效工作量的服務(wù)器能耗。

本發(fā)明提出的降低云計算平臺能源消耗的方法，具體步驟為：

第一，對于云平臺應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)傳輸，由用戶應(yīng)用指定傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域；

第二，通過零復(fù)制內(nèi)存管理庫函數(shù)動態(tài)分配內(nèi)存區(qū)域；該函數(shù)將分配的內(nèi)存區(qū)域標(biāo)記為零復(fù)制區(qū)域；

第三，通過操作系統(tǒng)中的零復(fù)制代理模塊，直接將數(shù)據(jù)從用戶的內(nèi)存區(qū)域傳輸至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，避免該傳輸數(shù)據(jù)在內(nèi)核與用戶態(tài)之間的多余復(fù)制，從而減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目傮w時間；

第四，通過操作系統(tǒng)中的零復(fù)制數(shù)據(jù)保護模塊，對數(shù)據(jù)傳輸過程中用戶的內(nèi)存寫操作進行寫時復(fù)制（Copy-on-write），從而保護數(shù)據(jù)的完整性。

本發(fā)明方法能夠在保證數(shù)據(jù)完整性的同時，有效提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑝嚎s網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，減少無效內(nèi)存復(fù)制的操作數(shù)，從而降低完成等效工作量的服務(wù)器能耗。

本發(fā)明的具體實現(xiàn)為對應(yīng)用程序、內(nèi)存分配庫和操作系統(tǒng)進行修改，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊韵虏襟E進行優(yōu)化。第一，對于應(yīng)用程序，首先確定需要進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位置，通過調(diào)用零復(fù)制內(nèi)存管理庫函數(shù)進行內(nèi)存的分配和回收操作，其他不需要進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)存則可以不用修改。第二，零復(fù)制的內(nèi)存管理函數(shù)會通過特定的參數(shù)，在操作系統(tǒng)內(nèi)核中標(biāo)記這段內(nèi)存區(qū)域。第三，當(dāng)用戶應(yīng)用進行網(wǎng)絡(luò)傳輸時，操作系統(tǒng)首先將內(nèi)存映射改為只讀，并直接將數(shù)據(jù)從內(nèi)存通過DMA（Direct?Memory?Access）發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而減少了從應(yīng)用到操作系統(tǒng)的復(fù)制操作。第四，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)φ贒MA的內(nèi)存區(qū)域進行寫操作時，由于內(nèi)存已被置為只讀，因此會觸發(fā)硬件保護異常。操作系統(tǒng)在異常處理函數(shù)中，通過寫時復(fù)制（Copy-on-write）技術(shù)進行處理，從而保證內(nèi)存寫操作的正確性。

本書面說明可使該技術(shù)領(lǐng)域具有普通技能的人能夠使用含有與權(quán)利要求所列要素近似的可替代要素的實施方案。因此，這項發(fā)明的范圍包括與權(quán)利要求的字面意思完全相同的方法，還包括其他與權(quán)利要求的字面意思沒有實質(zhì)性區(qū)別的方法。雖然在這里只描述和說明了部分特征和實施方案，但相關(guān)技術(shù)的基本方法可以進行許多修改和變化。所附權(quán)利要求將涵蓋所有這些修改和變化。

附圖說明

圖1為零復(fù)制操作的整體框架與數(shù)據(jù)流示意圖。