網(wǎng)絡應用程序的性能優(yōu)化研究.pdf

1、如今我們正處在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的信息時代,人們的生活與工作日益依賴于互聯(lián)網(wǎng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的飛速發(fā)展,用戶數(shù)量的迅猛增加,各層網(wǎng)絡應用程序?qū)π阅艿囊笠沧兊迷絹碓礁?已無法完全通過硬件性能的提升來滿足。因此對網(wǎng)絡應用程序本身進行各種優(yōu)化顯得尤為重要。在網(wǎng)絡層與傳輸層,雖然人們結合通用處理器與ASIC(專用集成電路)的特點,設計出了高性能低成本的多核網(wǎng)絡處理器以滿足日益復雜的高性能包處理程序的需求,然而由于網(wǎng)絡處理器獨特的體系結構與編程模型

2、,使網(wǎng)絡處理器上的程序往往無法得到有效的優(yōu)化。而在應用層,雖然P2P視頻直播服務憑借其免費收看,內(nèi)容豐富等優(yōu)勢迅速成為互聯(lián)網(wǎng)上最受歡迎的服務之一,但在向無線網(wǎng)絡拓展與推廣時由于無線網(wǎng)絡特性與有線網(wǎng)絡有很大差異,使其傳輸與播放質(zhì)量得不到保障,迫切需要通過優(yōu)化提高服務質(zhì)量。本文將以以上兩類應用程序為例,對其優(yōu)化進行研究,分析其優(yōu)化所面臨的困難,通過實驗指出性能瓶頸,并找出造成瓶頸的原因。最終根據(jù)分析結果,針對以上兩類網(wǎng)絡應用程序分別給出一套

3、切實有效的優(yōu)化方案。對于運行于網(wǎng)絡處理器上的網(wǎng)絡應用程序,其優(yōu)化所面臨的困難主要有以下兩方面:
　　1.程序員往往熟悉x86結構上硬件緩存環(huán)境下的程序編寫與優(yōu)化,但Intel IXP等網(wǎng)絡處理器出于成本與芯片面積等考慮均采用軟件緩存。這使得程序員必須花很大精力對軟件緩存的利用與管理進行優(yōu)化以獲得令人滿意的性能。同時由于緩存結構的差異,即使是復用x86結構下的代碼也將變得十分困難,很難在短期內(nèi)完成。
　　2.程序員在開發(fā)時往往

4、習慣于根據(jù)不同功能將程序劃分為多個模塊,各模塊間需要同步的數(shù)據(jù)使用同步鎖以保證語義的正確性。但Intel IXP等網(wǎng)絡處理器每個處理部件上的同步鎖資源有限,當模塊非常復雜需要大量同步鎖時將不得不面臨幾個同步臨界區(qū)共用一個同步鎖的情況,這將嚴重影響包處理程序的并行執(zhí)行,進而影響其性能。本文將針對以Intel IXP為代表的網(wǎng)絡處理器在開發(fā)與優(yōu)化包處理程序時面臨的主要問題,通過對包處理程序特點的深入分析,提出以下兩類編譯優(yōu)化方法。
　

5、　針對網(wǎng)絡處理器上軟件緩存的利用與優(yōu)化問題,本文將根據(jù)包處理程序具有關鍵路徑的特性提出兩個算法分別解決模塊內(nèi)與模塊間的緩存利用與優(yōu)化。
　　針對同步鎖可能導致的性能下降,本文將提出一個基于關鍵路徑的模塊劃分算法以減少模塊內(nèi)的同步鎖數(shù)目。這些方法將有效地優(yōu)化性能,幫助普通程序員在短時間內(nèi)開發(fā)出高效的包處理程序。
　　本文介紹的算法實現(xiàn)在我們實驗室開發(fā)的C編譯器Agassiz上。在Intel IXP模擬器上的實驗結果表明這些算法

6、對現(xiàn)今流行的一些包處理程序均有明顯的優(yōu)化效果。作為應用層目前最熱門的網(wǎng)絡服務之一的P2P視頻直播服務,它在無線局域網(wǎng)上的傳輸與播放性能卻因無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡的巨大差異而得不到保障。為了未來設計與優(yōu)化無線P2P直播視頻流服務,深入了解P2P直播視頻流在無線局域網(wǎng)下的工作方式、特性與性能瓶頸顯得尤為重要。本文將以目前最流行的P2P直播視頻流軟件PPStream為例,剖析其系統(tǒng)架構并分析其交互過程與通訊協(xié)議。在此基礎上,通過分析無線局域網(wǎng)實測

7、環(huán)境與模擬環(huán)境下的測試數(shù)據(jù),揭示了影響無線局域網(wǎng)下P2P直播視頻傳輸?shù)膬纱笠蛩?
　　1.半雙工工作模式使得無線局域網(wǎng)有限的帶寬大多被上傳數(shù)據(jù)流所占用,當無線局域網(wǎng)內(nèi)客戶端增多,總帶寬需求量大于無線局域網(wǎng)帶寬上限時,下載數(shù)據(jù)流和上傳數(shù)據(jù)流之間的帶寬爭奪將變得十分激烈,并造成下載受阻進而直接影響客戶端的視頻播放質(zhì)量。
　　2.P2P視頻傳輸中每個客戶端產(chǎn)生的信令數(shù)據(jù)量與其連接的節(jié)點數(shù)成正比。P2P傳輸技術倡導的鼓勵上傳機制將會

8、導致連接大量的節(jié)點,并造成大量的信令負載。這些信令負載同樣會與下載數(shù)據(jù)流競爭帶寬,進一步惡化下載質(zhì)量與客戶端播放效果。
　　針對以上兩方面,本文通過在無線局域網(wǎng)與Internet之間架設一臺緩存服務器,優(yōu)化無線局域網(wǎng)內(nèi)PPStream數(shù)據(jù)流的傳輸質(zhì)量,并改善無線客戶端的播放效果。緩存服務器將代替無線局域網(wǎng)用戶來響應Internet上的數(shù)據(jù)請求,以此消除無線局域網(wǎng)內(nèi)上傳流量中占很大比重的影音數(shù)據(jù)上傳。不僅如此,緩存服務器還能夠促進無