[发明专利]一种AMP架构下处理器负载均衡的实现方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种多核并行计算环境中，AMP(Asymmetric MultiProcessing，非对称多处理)架构下CPU(Central Processing Unit，中央处理器，以下简称处理器)负载均衡的实现方法及装置。

背景技术

最近几年，IPS(Intrusion Prevention System，入侵防御系统)产品成为安全产品市场新的热点，不仅保持了每年100％以上的市场增长率，而且应用领域不断扩大，应用技术也逐步普及。与传统的IDS(Intrusion Detection Systems，入侵检测系统)旁路接入不同，IPS产品采用在线工作方式，即对接收的数据进行检测，然后按照其目的转发，这与安全网关类产品如防火墙、VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网)等非常相似。这种工作方式决定了IPS产品除了要有准确的检测能力，还要有与应用网络相适应的性能要求。

实际上自IPS产品诞生以来，一直采用协议识别和攻击特征模式匹配等成熟技术，困扰其应用范围的主要是性能要求。目前的防火墙达到千兆线速、4G、甚至10G转发能力已属平常，但IPS要实现这一性能绝非易事。在IPS中不仅需要检查数据报文的头部，还要针对具体的应用协议检查数据报文的内容，这就使得在IPS中五元组相同的数据报文也不能“加速处理”，也就是说在IPS处理数据报文的整个路途中没有“捷径”，IPS需要对流经自身的每一个报文进行逐一检测。这样IPS成为CPU资源的主要耗费者，其性能很大程度上取决于硬件处理器的处理能力。

近年来多核处理器的发展为利用并行处理技术提升IPS产品性能提供了广阔的空间，由于处理器计算能力的提升对IPS检测全路径都是有效的，所以从理论上讲内核数量与性能提升成正比。但是理论不等于实践，实际性能的提升主要取决于IPS对各个处理器均衡的利用，即发挥每一个处理器的最大计算能力。

在多核并行计算环境中一般有两种处理器工作构架，一种是SMP(Symmetrical MultiProcessing，对称多处理)方式，也称为同构方式，SMP方式顾名思义就是将多个内核平等看待，每个内核担负的工作都相同，且每个内核上都运行一套IPS系统，这样从数据接收、连接建立、数据检测到数据发送都是并发执行的，相当于多个IPS系统在同时运行。这种架构比较简洁，各个处理器内核负载均衡，但是因为所有内核都担负相同的工作，势必产生对共享资源(内存数据、文件描述符、I/O设备等)的大量争用，为处理这些并发与同步使用的大量锁机制，又严重制约了性能发挥，更严重的是随着内核数量的增多，并发与同步的消耗达到一定的量级，性能不但不会增长反而会有所下降。

另一种为AMP方式，也称为异构方式。AMP方式就是将多个内核区别看待，可以运行不同的操作系统也可以在相同的操作系统上运行不同的任务，各个处理器内核按照任务划分，各负其责，规避共享资源的竞争，从而提升IPS产品的综合性能。完整的操作系统往往比较庞大，耗费资源较多，效率也较低。拿出几个物理内核，在其上建立一种简易的系统环境(有时候直接叫做“裸核”环境)，在这个“洁净的空间”内运行单一任务(比如收发数据、模式匹配等)往往可以获得极高的性能，这是AMP方式的特点，也是其优势。虽然AMP构架比较复杂，但因其性能提升非常有效，目前已被广泛应用。

AMP构架的难点在于需要仔细权衡各个内核的任务分担，否则会造成内核负载不均衡，影响性能发挥。目前普遍采用的方法是将处理器内核分为两类，一类叫作网络处理器，用于处理网络数据报文的接收和发送，另一类叫做检测处理器，用于进行IPS检测。网络处理器接收到网络数据报文后，根据其五元组建立连接(数据流)，然后用hash算法将连接平均地定位到唯一的检测处理器上，这样实现负载均衡，即将数据流平均地分配到检测处理器上，同时保障将同一个数据流分配到同一个检测处理器上，保障一个数据流始终由一个检测处理器处理。图1为该现有技术中AMP架构下处理器负载均衡的实现方法原理图。