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面向云网融合环境的网络模态报文处理柔性流水线构建机制

朱俊 徐琪 张富军 王永杰 邹涛 隆克平

朱俊, 徐琪, 张富军, 王永杰, 邹涛, 隆克平. 面向云网融合环境的网络模态报文处理柔性流水线构建机制[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250806
引用本文: 朱俊, 徐琪, 张富军, 王永杰, 邹涛, 隆克平. 面向云网融合环境的网络模态报文处理柔性流水线构建机制[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250806
ZHU Jun, XU Qi, ZHANG Fujun, WANG Yongjie, ZOU Tao, LONG Keping. Flexible Network Modal Packet Processing Pipeline Construction Mechanism for Cloud-Network Convergence Environment[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250806
Citation: ZHU Jun, XU Qi, ZHANG Fujun, WANG Yongjie, ZOU Tao, LONG Keping. Flexible Network Modal Packet Processing Pipeline Construction Mechanism for Cloud-Network Convergence Environment[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250806

面向云网融合环境的网络模态报文处理柔性流水线构建机制

doi: 10.11999/JEIT250806 cstr: 32379.14.JEIT250806
基金项目: 国家自然科学基金项目(U22A2005),浙江省重点研发计划项目(2024SSYS0001)
详细信息
    作者简介:

    朱俊:男,高级工程师,研究方向为新型网络体系结构、软件定义网络、高性能集群网络、网络资源管理等

    徐琪:男,副研究员,研究方向为多模态网络、软件定义网络、时间敏感网络等

    张富军:男,工程师,研究方向为网络可编程、多模态网络编译技术等

    王永杰:男,工程师,研究方向为网元操作系统、网络编译技术等

    邹涛:男,研究员,研究方向为多模态网络技术和新型网络体系架构等

    隆克平:男,教授,研究方向为新一代网络技术、光互联网关键技术、无线通信技术、人工智能与大数据等

    通讯作者:

    隆克平 longkeping@ustb.edu.cn

  • 中图分类号: TP393

Flexible Network Modal Packet Processing Pipeline Construction Mechanism for Cloud-Network Convergence Environment

Funds: National Natural Science Foundation of China (U22A2005), Key R&D Program of Zhejiang (2024SSYS0001)
  • 摘要: 随着云网融合技术的发展,多样化的网络业务需求催生了对多模态网络报文柔性化处理的需求。本文提出了一种基于多模态网元抽象模型与前-中-后端三段式编译架构的协议报文柔性化处理编译机制,通过中间表示切片算法将多种网络模态混合的处理逻辑拆解并映射至ASIC、FPGA、CPU等异构硬件资源上,构建支持自定义配置的柔性流水线以适应不同的网络业务传输要求。本文详细介绍该架构的设计理念、中间表示结构及中间表示切片算法,并验证所提出的柔性流水线在构造效果和功能满足方面的优越性。实验表明,该机制能构建从1段到5段等多种流水线样式,在原型系统上实现的多模态处理流水线平均延迟最低可达15.48us。因此,该机制能够有效提升网络服务的灵活性和效率,为超融合云网环境下的网络报文处理提供了新的思路。
  • 图  1  多模态网元抽象模型

    图  2  网络模态报文处理柔性流水线构建架构

    图  3  报文处理流水线构建与中间表示IR切片机制

    图  4  中间表示IR的数据结构

    图  5  网络资源可编程能力描述模型

    图  6  多模态网元原型验证系统

    图  7  多种网络模态协议报文处理流水线运行效果

    图  8  切片前后IR代码量对比图

    图  9  不同流量分配方案下的多模态协议报文处理性能评估

    图  10  在同一个流量分配方案下不同报文长度的多模态协议报文处理性能评估

    表  1  多段式网络模态报文处理柔性流水线设计

    序号流水线段数流水线通路优缺点分析
    11ASIC速度快,报文解析转发功能相对固定
    23ASIC→FPGAm→ASIC速度较快,具备一定灵活性
    33ASIC→CPUn→ASIC速度较慢,灵活性高
    44ASIC→FPGAm→CPUn→ASIC速度较慢,灵活性高
    54ASIC→CPUn→FPGAm→ASIC速度较慢,灵活性高
    65ASIC→FPGAm→CPUn→FPGAm→ASIC速度慢,灵活性较高
    75ASIC→FPGAm→CPUn→FPGAm’→ASIC速度慢,灵活性较高,可利用资源更多
    85ASIC→CPUn→FPGAm→CPUn→ASIC速度慢,灵活性较高
    95ASIC→CPUn→FPGAm→CPUn’→ASIC速度慢,灵活性较高,可利用资源更多
    101+2i或1+3i(i≥1)ASIC→i·(CPUn|FPGAm|(CPUn→FPGAm)|(FPGAm→ CPUn) → ASIC →)更一般化的流水线阶段表示
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    表  2  模态中间表示IR中的control单元切片处理模块算法

     1 control单元切片处理模块()
     2 {
     3  for (auto i : 模态条件判断模块集合){
     4    ···.
     5    auto cond = new
         IR::IndexedVector<IR::StatOrDecl>;
     6    element = element_extract(); //模态条件判断模块,
         模态标识要素提取
     7    if (true == check_element(element)) //模态标识要素
         校验
     8     ans = element_match(element) //模态标识要素匹配
     9     if (true == ans)
     10      cond = push_back(i); //保留此模态条件判断模块
     11    else
     12      切片删除此模态条件判断模块
     13  else
     14  continue; //要素不合法,跳出循环
     15   ···.
     16 }
     17 refresh_node(cond); //模态条件判断模块集更新
     18 return;
     19 }
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    表  3  IR切片测试和代码量情况

    网络
    模态
    模态
    分配
    策略
    切片前网络模态
    IR代码量
    (multimodal_mix.ir)
    切片后各个芯片IR
    切片代码量
    ASIC
    切片
    (asic.ir)
    FPGA
    切片
    (fpga.ir)
    CPU
    切片
    (cpu.ir)
    IPv4 ASIC 32717 23164 22772 23282
    GEO CPU
    MF FPGA
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    表  4  多模态协议报文处理性能评估(128B报文长度)

    模态组合 切片策略 流量分配方案
    方案1 方案2 方案3 方案4
    IPv4 ASIC 100 Mbps 200 Mbps 300 Mbps 400 Mbps
    GEO CPU 200 Mbps 150 Mbps 100 Mbps 50 Mbps
    MF CPU 200 Mbps 150 Mbps 100 Mbps 50 Mbps
    平均报文处理延迟时间 4237 μs 54.16 μs 32.63 μs 15.48 μs
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-27
  • 修回日期:  2025-11-03
  • 录用日期:  2025-11-03
  • 网络出版日期:  2025-11-11

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