嵌入式TCPIP协议栈LWIP的并发性能优化.pdf

1、劣妻未交专业硕士学位论文嵌入式T C P F I P 协议栈L W I P 的并发性能优化C o N C U R R E N C Yo P T I M I Z A T I o No FE M B E D E DT C P I PP R o T o C o LS T A C KL W I P作者：鲍建行导师：冀振燕北京交通大学2 0 11 年6 月学位论文版权使用授权书U IT II III III ITII IIIII【Y 19 6 2 6 9 5本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务

2、，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：多躐幻签字日期：矽f 年莎月)乡日导师签名譬如盘签字日期：纱f 年月弓日2中图分类号：U D C-学校代码：密级：公开北京交通大学专业硕士学位论文嵌入式T C P I P 协议栈L W I P 的并发性能优化C o N C U I U 之E N C Yo P T I M I Z A T I o No FE M B E D E DT C P I PP R o T o C o LS T A C KL W I P作者姓名：鲍建行导师

3、姓名：冀振燕工程领域：软件工程学号：0 9 1 2 2 3 9 1职称：副教授学位级别：硕士北京交通大学2 0 11 年6 月致谢本论文的工作是在本人的导师冀振燕副教授的悉心指导下完成的，冀振燕老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了本人极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来冀振燕老师对本人的关心和指导。冀振燕老师悉心指导本人完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了本人很大的关心和帮助，在此向冀振燕老师表示衷心的谢意。冀振燕老师对于本人的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，么刚、韩啸等同学对本人论文中的L W I P 研究工作给予了热情帮助

4、，在此向他们表达本人的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使本人能够在学校专心完成本人的学业。中文摘要嵌入式T C P I P 协议栈L W I P 主要应用于资源有限的嵌入式设备，它在数据结构和算法的设计上旨在减少内存的使用和代码的大小，在此基础之上能够满足通信的功能而不是传输大规模的网络数据。但是L W I P 在一个安全网关当中作为用户态的协议栈满足不了安全网关设备对实时性和高并发性的要求。因此需要对L W I P的数据结构和算法在并发性上进行优化。本人独立完成了L W I P 的性能瓶颈分析、L W I P 的优化方案制定和实施以及L W I P 优化以后的性能对比分析。首先使用

5、g p r o f 性能剖析工具分析了L W I P 的性能瓶颈。L W I P 的性能瓶颈主要在T C P 的会话表链表结构和S E L E C T 接口，对于T C P 会话表的链表结构，优化方法是采用查询效率最高的哈希结构；对于S E L E C T接口，改成高效的E P O L L 接口；此外还优化了主动建立连接时选择本地端口的选择算法；为了提高并发性能还尝试了使用多线程优化技术。然后分别使用软件和硬件设备对优化前后的性能进行了对比分析，最后得出了优化的结论。经过优化以后L W I P 的整体性能提升了3 0 0,6 以上，实时性和并发性也大幅提升，满足了安全网关产品的性能需求，达到了

6、预期的优化目标。目前该模块已经集成到绿盟科技5 6 5 版本的引擎代码当中，能够稳定运行并且具有良好的并发性能。关键词：L W I P；并发；协议栈；优化A BS T R A C TE m b e d d e dT C P I Pp r o t o c o ls t a c kL W l Pi sm a i n l yu s e di ne m b e d d e dd e v i c e sw i t hl i m i t e dr e s o u r c e s I t sd a t as t r u c t u r e sa n da l g o r i t h m sa r ed e

7、s i g n e dt or e d u c em e m o r yu s a g ea n dc o d es i z e，o nt h i sb a s i st om e e tt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dn o tt ol a r g e-s c a l en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n H o w e v e r,i tC a l l tm e e tt h er e a l t i m ea n dh i g hc o n c u r r e n c

8、yr e q u i r e m e n t so fs e c u r i t yg a t e w a yd e v i c e s H e n c et h ed a t as t r u c t u r e sa n da l g o r i t h m so fL W l Ps h o u l db eo p t i m i z e df o rc o n c u r r e n c y T h ea u t h o rc o m p l e t e sL W I Pp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c ka n a l y s i s，L W

9、 I Po p t i m i z a t i o np l a nd e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n，a n dp e r f o r m a n c ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fL W I Pa f t e ro p t i m i z a t i o ni n d e p e n d e n t l y T h e nt h eg p r o fi su s e dt oc h e c ks y s t e mp e r f o r m a n c eb o t t

10、 l e n e c k s T h ep e r f o r m a n c eb o t t l e n e c ko fL W l Pi sm a i n l yt h eT C Ps e s s i o nt a b l el i s ts t r u c t u r e sa n dS E L E C Ti n t e r f a c e s F o rt h eT C Ps e s s i o nt a b l el i s ts t r u c t u r e，t h em o s te f f i c i e n tq u e r ys t r u c t u r e-h a

11、s hs t r u c t u r ei su s e d；F o rS E L E C Ti n t e r f a c e，e f f i c i e n tE P O L Li n t e r f a c ei Su s e d；A n dt h el o c a lp o r ts e l e c t i o na l g o r i t h mt oe s t a b l i s hac o n n e c t i o ni n i t i a t i v e l yi so p t i m i z e d；I no r d e rt oi m p r o v ep e r f o

12、 r m a n c e,t h es i m u l t a n e o u sm u l t i t h r e a d i n go p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e si st 订e d T h e nu s et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r et e s t i n gd e v i c e st oc o m p a r ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o no ft h eL W I Pm

13、o d u l e A tl a s tw ec o m et ot h ec o n c l u s i o no ft h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s T h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fL W I Ph a si m p r o v e dm o r et h a n3 0 a f t e ro p t i m i z i n g T h er e a l-t i m ea n dc o n c u r r e n c yh a si n c r e a s e dd r a m a t i

14、c a l l yt om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fs e c u r i t yg a t e w a yp r o d u c t sa n dt oa c h i e v et h ed e s i r e do p t i m i z a t i o ng o a l s T h i sm o d u l eh a sb e e ni n t e g r a t e di n t ot h ec u r r e n t5 6 5v e r s i o ne n g i n ec o d eo fN

15、 S F O C U S，w h i c hc a nb es t a b l ea n dh a sag o o dr u nc o n c u r r e n tp e r f o r m a n c e K E Y W o R D S：L W l P；C o n c u r r e n c y；P r o t o c o ls t a c k；O p t i m i z a t i o n目录中文摘要一i i iA B S T R A C T i v目录vl引言11 1项目背景l1 2开源网络协议概述l1 3项目的目的和意义一31 4本文主要工作31 5论文组织结构32L W I P 总

16、体概述一52 1H T T P S 代理概述52 1 1H T r P S 代理原理52 1 2H T T P S 代理层次结构62 2L W I P 模块架构和数据处理72 2 1L W I P 模块架构72 3L W I P 模块性能瓶颈分析172 3 1 性能分析工具简介一l82 3 2L W I P 性能分析183L W I P 模块性能优化2 13 1t o p 会话表结构优化2l3 1 1h a s h 模块的设计和实现2 13 1 2h a s h 模块的应用2 43 2s e l e c t 接口优化2 53 2 1e p o l l 接口的设计和实现2 53 3本地端口选择算法优化2 53 4多线程优化2 63 4 1 线程池介绍2 63 4 2 线程池的设计和实现2 64L W I P 模块优化测试2 94 1g p r o fi 9 l l l 试2 94 1 1 优化前后函数运行的时间2 9V4 1 2 优化的总时间对比一3 l4 2S p r i e n tT e s t C e n t e r 测试3 24 2 1S p i r e n tT e s t C