肖 洋，李廣成，杜 勇

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢430074;2.武漢烽火國際技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢430074;3.武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢430074)

隨著智能手機、平板電腦等接入設(shè)備的普及，用戶上網(wǎng)更加便捷，致使無線用戶數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡(luò)中的用戶流量也在不斷攀升。在現(xiàn)有普遍采用的集中式WLAN的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)處理的集中點位于接入控制器中，包括用戶數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和對用戶、接入點的管理數(shù)據(jù)的處理。對接入控制器數(shù)據(jù)處理的速度提出了很高的要求。在處理數(shù)據(jù)的時候，必然涉及到對內(nèi)存的申請、使用、傳遞和釋放的過程。這個過程的好壞直接決定了系統(tǒng)性能的高低。

由于接入控制器對內(nèi)存的使用比較頻繁，內(nèi)存分配和釋放的效率對整個系統(tǒng)的性能有直接的影響;在接入控制器的系統(tǒng)中，內(nèi)存交互申請和內(nèi)存釋放的過程有可能造成一定量的內(nèi)存泄露情況，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄露，頻繁的內(nèi)存申請釋放操作又會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片，從而極大降低系統(tǒng)整體性能。同時，由于大量的模塊分布在不同的線程之中同時運轉(zhuǎn)，內(nèi)存調(diào)度情況不容易掌控，系統(tǒng)整體內(nèi)存使用情況以及各個線程之間的內(nèi)存使用情況也不易把控。因此，需要提出一種內(nèi)存調(diào)度策略，既能夠滿足內(nèi)存的高效回收機制，又能夠有效地管理系統(tǒng)內(nèi)存空間、掌握各個線程中內(nèi)存分配的信息。

1 接入控制器內(nèi)存調(diào)度總體結(jié)構(gòu)及功能

現(xiàn)有通用的接入控制器主要采用集中式組網(wǎng)方式，接入控制器負責管理AP以及STA，負責數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，其基本模塊組成如圖1所示。由報文快速轉(zhuǎn)發(fā)模塊、用戶管理模塊、業(yè)務(wù)管理模塊以及系統(tǒng)管理維護模塊構(gòu)成［1］。其中，報文快速轉(zhuǎn)發(fā)模塊由報文接收/發(fā)送和報文處理模塊組成，負責對接入控制器內(nèi)外報文進行篩選分類，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)模塊或網(wǎng)絡(luò)接口上，對模塊性能的要求較高;用戶管理模塊和業(yè)務(wù)管理模塊分別負責對接入用戶以及AP的狀態(tài)等上下文進行管理維護。系統(tǒng)管理維護模塊是對整個接入控制器系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理與狀態(tài)監(jiān)控的模塊。根據(jù)這三大模塊的構(gòu)成，可以按照數(shù)據(jù)處理分為三大部分:報文快速轉(zhuǎn)發(fā)部分、系統(tǒng)線程內(nèi)處理部分以及系統(tǒng)線程間處理部分。

快速轉(zhuǎn)發(fā)部分指從網(wǎng)絡(luò)中收到的數(shù)據(jù)增減頭部隧道封裝并快速轉(zhuǎn)發(fā)出去，該過程會頻繁地為數(shù)據(jù)分配內(nèi)存，并將其需要的數(shù)據(jù)拷貝數(shù)次，處理后輸出。

圖1 AC的多板構(gòu)架及模塊組成

系統(tǒng)線程間數(shù)據(jù)處理是指在系統(tǒng)線程間的數(shù)據(jù)處理，涉及到線程間的通信機制，以及內(nèi)存相互訪問和調(diào)度。

系統(tǒng)線程內(nèi)處理數(shù)據(jù)部分指在系統(tǒng)線程內(nèi)部處理的數(shù)據(jù)，通常為線程私用的數(shù)據(jù)，包括用戶上下文、WTP上下文等，申請釋放的頻率相對較低。

針對接入控制器以上幾種內(nèi)存使用的特點，可以將接入控制器內(nèi)存調(diào)度分層3個層次:Dynamic Smart Preallocation(DSPA)，Static Pre-allocation(SPA)，Dynamic Pre-allocation(DPA)。

DSPA適用于快速轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)預(yù)分配內(nèi)存，并對分配內(nèi)存大小進行預(yù)估，不足的時候就按照一定規(guī)律進行鏈式增加，優(yōu)化分配機制，在處理的過程中實現(xiàn)一次拷貝多次使用。

SPA適用于線程間的內(nèi)存分配。實現(xiàn)預(yù)分配內(nèi)存、大小固定、匹配內(nèi)存空間［2］。

DPA適用于線程內(nèi)部處理的內(nèi)存使用，實現(xiàn)按需分配，匹配內(nèi)存空間，會有一些內(nèi)存空間的浪費。

以上3種層次的內(nèi)存分配方式都能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存快速調(diào)度，對應(yīng)用每次分配以及釋放動作的代碼段進行定位，確認內(nèi)存泄露與否，以避免內(nèi)存碎片產(chǎn)生。在接入控制器系統(tǒng)發(fā)生異常的時候，應(yīng)用定位問題具有方便快速定位的優(yōu)勢。

2 接入控制器內(nèi)存調(diào)度設(shè)計原理

基于以上功能需求，對AC內(nèi)存調(diào)度的設(shè)計分為內(nèi)存分配層和內(nèi)存管理層2個層次，其中內(nèi)存分配層提供內(nèi)存分配釋放，為上層應(yīng)用提供快速穩(wěn)定的存儲基本服務(wù)，而內(nèi)存管理就在內(nèi)存分配之后，對內(nèi)存信息進行統(tǒng)一管理，并對異常內(nèi)存分配或釋放進行記錄。下面分別對兩個層次的設(shè)計原理進行詳細的介紹。

2.1 接入控制器內(nèi)存分配設(shè)計原理

在AC線程內(nèi)部及線程間，均采用內(nèi)存池陣列的方式對內(nèi)存進行分配。內(nèi)存池陣列中有數(shù)個內(nèi)存池，每個內(nèi)存池中內(nèi)存大小相同［3］。

SPA內(nèi)存分配方式使用于線程之間的大小固定的應(yīng)用環(huán)境下，當應(yīng)用的某一種相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)量較大，使用較為頻繁的時候，如ARP表項、用戶上下文、AP上下文等，在使用的時候，只需創(chuàng)建適合其使用固定大小的內(nèi)存池，并每次從指定的內(nèi)存池中分配釋放內(nèi)存即可，其時間復(fù)雜度為O(1)。效率極高，但是使用環(huán)境也有限制，而且需要應(yīng)用對該內(nèi)存池的大小進行設(shè)定。

在AC的報文快速轉(zhuǎn)發(fā)模塊中，一般會從網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)包。每當收到數(shù)據(jù)包，就會為這些數(shù)據(jù)包分配內(nèi)存。為了實現(xiàn)零拷貝，每次從DSPA內(nèi)存池中，分配1塊內(nèi)存，該內(nèi)存結(jié)構(gòu)如圖2所示。是一種緩沖鏈式結(jié)構(gòu)，由1個DSPA描述符以及DSPA內(nèi)存塊組成。上層應(yīng)用需要為其增加或減少數(shù)據(jù)頭，就只用將指針向前偏移一部分，并填充相應(yīng)的數(shù)據(jù)部分即可。若需要在該數(shù)據(jù)包后繼續(xù)填充數(shù)據(jù)，只需繼續(xù)增加1個DSPA內(nèi)存塊，并將之前的DSPA用指針指向新增的內(nèi)存塊，保證關(guān)聯(lián)關(guān)系。應(yīng)用處理之后，將其轉(zhuǎn)到發(fā)送端口，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出。這就是數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)過程。由于每個DSPA內(nèi)存塊都是固定大小，在分配內(nèi)存的過程中，適合于高效數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)發(fā)，而在其他環(huán)境中不夠靈活。

圖2 DSPA內(nèi)存分配結(jié)構(gòu)

其中，在DSPA的工作流程圖如圖3所示。

圖3 DSPA內(nèi)存分配流程圖

DPA分配內(nèi)存的模式為根據(jù)應(yīng)用申請的內(nèi)存大小，與2n進行比較(2n為計算機存儲特性的一個參考值)，匹配需要申請的內(nèi)存池。若該內(nèi)存池的內(nèi)存分配完了，就會動態(tài)分配新的大小相同的內(nèi)存池，為應(yīng)用繼續(xù)提供內(nèi)存。其中在DPA的工作流程圖如圖4、圖5所示。

2.2 接入控制器內(nèi)存管理設(shè)計原理

在以上3種工作模式下，分配和釋放內(nèi)存的時候都會為每個內(nèi)存打上標簽，分別記錄分配內(nèi)存的函數(shù)、文件、行號、及分配的時間。每個內(nèi)存都有1個內(nèi)存使用標志位，用于表示該內(nèi)存使用情況［4-5］。其中-1表示從未使用過，0表示被釋放，1表示被分配。為內(nèi)存管理模塊其配置命令行，在調(diào)試工作模式下，提供分析問題的幫助。

1)為用戶分配內(nèi)存提供定位信息

當用戶分配內(nèi)存的時候，就會將內(nèi)存分配的情況記錄下來，并與內(nèi)存池的上下文綁定。已分配的內(nèi)存塊會將內(nèi)存使用標志位置為1。

2)為用戶釋放內(nèi)存提供定位信息

當用戶釋放內(nèi)存的時候，就會將內(nèi)存釋放的情況記錄下來，并與內(nèi)存池的上下文綁定。并且可以和1中的信息進行比對，判斷內(nèi)存是否存在內(nèi)存泄露。

3)為用戶非法內(nèi)存操作提供信息

(1)double free

在程序員編程過程中，某一個內(nèi)存用于存儲上下文，共用于數(shù)個線程中，在釋放的過程中可能存在重復(fù)釋放的情況。如果在調(diào)用malloc-free函數(shù)的時候，程序就會掛掉，并留下double free的信息。本文會根據(jù)flag位來判斷，如果flag為0，應(yīng)用又釋放一次內(nèi)存，即發(fā)生double free。在內(nèi)存管理中會記錄double free的錯誤，并保證程序不會因此異常退出。

(2)釋放非法地址內(nèi)存

在程序員編程過程中，釋放非法的內(nèi)存地址，如未對齊的內(nèi)存塊地址、空地址或不存在于內(nèi)存池中，避免造成程序的異常退出。其調(diào)用釋放函數(shù)的跟蹤信息都會被記錄到日志信息中，便于后續(xù)定位處理問題。

4)為可能出現(xiàn)內(nèi)存泄露的內(nèi)存提供信息

在程序員編程過程中，或多或少都會出現(xiàn)一些內(nèi)存泄露的問題，通過標志位以及調(diào)用信息可以容易地定位到內(nèi)存塊的狀態(tài)，在正常的內(nèi)存使用中，大部分的內(nèi)存都是不斷地分配然后釋放。因此，在每個內(nèi)存分配的時候中，就會在內(nèi)存塊中增加1個時間戳信息，如果1個內(nèi)存塊在運行時長大于1周的時候還沒有被釋放，就會將這個內(nèi)存塊的地址調(diào)用信息記錄到日志信息中，便于程序員定位分析。

3 內(nèi)存調(diào)度運行結(jié)果

根據(jù)以上內(nèi)存調(diào)度的分析設(shè)計，通過在Linux C下實現(xiàn)內(nèi)存調(diào)度方法?，F(xiàn)從內(nèi)存調(diào)度功能和性能2個方面來驗證本文設(shè)計方案。

3.1 內(nèi)存調(diào)度功能測試

內(nèi)存調(diào)度功能測試即對內(nèi)存管理的測試。在實際Linux系統(tǒng)中只能通過系統(tǒng)的命令行查看整個系統(tǒng)以及每個進程的內(nèi)存使用情況。通過系統(tǒng)的接口對程序的分析不能有很大的幫助，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)對內(nèi)存使用情況統(tǒng)計(截圖)

基于內(nèi)存調(diào)度對內(nèi)存的管理，可以清晰地打印出內(nèi)存 的使用情況，其實現(xiàn)如圖7～圖10所示。

3.2 內(nèi)存調(diào)度性能測試

內(nèi)存調(diào)度性能測試即對內(nèi)存分配釋放的性能的一個測試。在內(nèi)存調(diào)度過程中，測試的環(huán)境為mips構(gòu)架，CPU為Cavium Octeon CN5650，內(nèi)存為8 Gbit。將本內(nèi)存調(diào)度與直接調(diào)用系統(tǒng)API malloc/free函數(shù)接口測試對比。結(jié)果如表1所示。

通過對比，可以清晰地看出通過內(nèi)存池調(diào)度的內(nèi)存通過空間換取更快的分配釋放時間，提供了更加高效的內(nèi)存分配機制。

表1 內(nèi)存性能對比測試 μs

4 結(jié)語

本文設(shè)計的內(nèi)存調(diào)度方式是適用于當前各種構(gòu)架的接入控制器底層的一種內(nèi)存調(diào)度策略。在以SPA，DSPA，SPA三種層次的內(nèi)存分配方式上為上層應(yīng)用提供高速可靠的內(nèi)存分配策略，與此同時能夠定位內(nèi)存調(diào)用模塊以及內(nèi)存泄露問題，避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低，大大增加接入控制器在大流量多用戶的情況下的運行性能以及穩(wěn)定性。

［1］STEVENS W R.Unix Network Programming［M］.Englewood Cliff:Prentice Hall，1990.

［2］MCKEE S，KLENKE R，WRIGHT K，et al.Smarter Memory Improving Bandwidth for Streamed References［J］.IEEE Computer，1998，31(7):51-63.

［3］顧勝元.嵌入式實時動態(tài)內(nèi)存管理機制［J］.計算機工程，2009(20):1-3.

［4］JAMES F，KEITH W.Computer Networking:A Top-Down Approach［M］.5th ed.New Jersey:Addison Wesley，2010.

［5］SCHUMANN R C.Design of the 21174 Memory Controller for Digital Personal Workstations［J］.Digital Technical Journal，1997，9(2):57-70.