[發明專利]基于容器線程管理技術的大規模網絡節點擬真方法

在審

• 申請號: 202210692183.2
• 申請日: 2022-06-17
• 公開（公告）號: CN115098220A
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 史琰;曹琦軒;白衛崗;盛敏;李建東;李浩然;周笛;朱彥;劉俊宇;鄭陽;文娟
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F9/54;G06F9/448;G06F9/50;H04L41/14
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

本發明公開了一種基于容器線程管理技術的大規模網絡節點擬真方法，主要解決現有技術在大規模網絡場景下創建過多線程的問題。其主要實現步驟為：調度網絡擬真場景內所有節點；節點通過空閑線程管理隊列管理其動態線程，并為其動態線程設置有限狀態機和函數指針；源節點將其發送隊列注冊到接收節點，并通知接收節點分配一個用于接收處理發送隊列的接收處理線程；發送線程與接收處理線程通過檢查發送隊列的狀態動態調整接收處理線程數量。本發明減少創建過多線程產生的系統開銷，降低了多線程處理隊列的并發控制開銷，可用于提高節點擬真效率，提高擬真系統整體吞吐量。

技術領域

本發明屬于通信技術領域，更進一步涉及網絡通信技術領域中的一種基于容器線程管理技術的大規模網絡節點擬真方法。本發明可以用于大規模網絡通信節點的高性能實時仿真。

背景技術

網絡仿真是一種利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為，通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計及優化所需要的網絡性能數據的一種高新技術。隨著通信網絡技術的發展，網絡仿真面臨拓撲復雜化、規模巨大化、高動態、真實流量承載仿真以及半實物接入驗證等需求和挑戰。目前主流的網絡仿真軟件如NS3、OPNET、OMNET等節點分組處理實時性低下，在大規模仿真場景下不具備擬真能力，無法實現對超大規模動態網絡節點的真實協議棧驗證。

網絡仿真系統中每一個網絡節點具有多條獨立工作的傳輸鏈路以實現節點之間的分組傳輸，針對每一個鏈路均使用獨立的線程進行分組的接收處理不僅符合實時工作節點的工作狀態，而且可以對數據幀的鏈路傳輸過程進行有效仿真。但是，在大規模網絡仿真場景下，如果網絡節點的所有傳輸鏈路均設置一個獨立處理線程，就會導致系統創建大量的處理線程，占用大量的額外內存資源，特別是有許多鏈路處于空閑的狀態時；其次，由于網絡負載不均衡的特點，大量的傳輸鏈路處于低負載狀態，如果每個低負載鏈路使用獨立的處理線程，會導致各線程頻繁的喚醒與休眠，從而造成大量的線程切換開銷，進一步導致CPU處理開銷增加；此外，考慮到系統中存在某些節點的多條傳輸鏈路均進行分組傳輸，使用已有的互斥鎖技術實現并發控制會產生頻繁線程調度的時間開銷，使用已有的自旋鎖技術則會導致占用過高的CPU資源，如何避免處理線程間的互斥導致系統的吞吐量下降，也是大規模實時仿真的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提出一種基于容器線程管理技術的大規模網絡節點擬真方法，旨在解決大規模網絡擬真場景下系統創建的處理線程過多占用大量的額外內存資源，每個低負載鏈路使用獨立的處理線程導致CPU處理開銷增加，以及處理線程間的互斥導致系統的吞吐量下降的問題。

為實現上述目的，本發明的具體思路是：

本發明只為具有分組接收處理需求的網絡節點分配處理線程，在模擬網絡節點限速分組轉發的條件下，將大規模網絡仿真場景下創建的總線程數成倍縮減，從而使得本發明解決了大規模網絡仿真場景下創建過多的處理線程占用大量額外內存資源的問題。本發明中節點根據發送隊列的分組流強度動態調整接收處理線程數量，在接收節點處理的分組流強度較低的情況下減少接收處理線程數量，從而降低了線程切換開銷，從而使得本發明解決了每個低負載鏈路使用獨立的處理線程導致CPU處理開銷增加的問題。本發明設計了無鎖化并發安全的發送隊列，使用原子語句實現了多輸入-多輸出流的無鎖化并發控制，減少了多個線程處理分組傳輸的并發控制的鎖開銷，提高了節點間分組傳輸效率，從而使得本發明解決了處理線程間的互斥導致系統的吞吐量下降的問題。

根據上述思路，本發明的實現方法如下：

步驟1，調度網絡擬真場景內所有節點：

在宿主機中創建與網絡擬真場景中網絡節點一一對應的容器，拷貝所有節點的可執行文件到容器中，加載并執行可執行文件；

步驟2，創建所有節點的共享內存區：

在宿主機的共享內存目錄中創建內存映射文件作為共享內存區，并將此內存映射文件映射到所有節點的地址空間；