（计算机应用技术专业论文）基于“龙芯”的附加网络存储系统的性能分析与优化.pdf

摘要 龙芯附加网络存储系统是我国自主研发的通用6 4 位龙芯处理器应用研究的一个重 要方向，其主体软件框架o p e n f i l e r 的管理界面支持的存储服务结构极为丰富，为设计 各种层次的附加网络存储系统提供了良好的可伸缩接口。在网络传输、文件存储过程中， 以高安全性、高性能为前提的附加网络存储系统给主频较低的龙芯2 f 处理器带来了压 力，所以优化龙芯附加网络存储系统的网络传输、文件存储性能有着重要的现实意义和 应用价值。 龙芯附加网络存储系统的基本操作系统的设计、定制与启动优化过程分为五个阶 段：工具链制作、目标系统的设计和定制、k e r n e l 的编译、系统启动必要配置文件的建 立和系统启动优化。本文选取性能基准工具对基于龙芯2 f 平台的附加网络存储系统的 网络传输性能和文件存储性能进行了测试，并在同等硬件环境的x 8 6 平台作了相应的量 化对比。测试结果分析表明龙芯附加网络存储系统总体上具有较好的数据输入输出( 通 过建立软r a i d ) 和网络传输性能( 加密网络协议s f t p 除外) 。由于加密网络协议s 邱 网络传输效率不高，本文首先详细分析s 邱的工作流程并初步确定优化方向；接着从数 据传输的执行时间中取得l i b c r y p t o s o 的核心耗时函数a e s _ e n c r y p t 0 和a e s _ d e c r y p t ( ) ； 最后结合龙芯平台的体系结构特征，首次提出了基于多媒体扩展指令( s i m d 技术) 优 化a e s 加解密性能的方法并使用该技术对动态库l i b c r y p t o s o 的a e s 加解密函数进行了 多媒体优化。 优化前后，加密网络协议s 邱( a e s 加解密) 传输的测试结果表明龙芯s i m d 技术 优化a e s 算法减少了加解密时间，有效地提高了s f t p 的网络传输速率。这种基于龙芯 s i m d 技术的优化方法对a e s 加解密函数的优化取得了比较理想的效果。 关键词：o p e n f i l e r ：s i m d 技术；s f t p 协议；a e s 加解密 p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e s y s t e mf o rl o o n g s o n w e ih a i r u i ( c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rj iy o u f a n ga n dl e c t u r e rg ul i h o n g a b s t r a c t t h el o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e mi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o na n d r e s e a r c hd i r e c t i o nf o rc h i n a ss e l f - r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e du n i v e r s a l6 4 一b i tl o o n g s o n p r o c e s s o r t h es t o r a g e s e r v i c e ss t r u c t u r et h a tt h em a i ns o f t w a r ef r a m e w o r k o p e n f i l e r m a n a g e m e n ti n t e r f a c es u p p o r t si ss or i c ht h a ti tp r o v i d e saf a v o r a b l ea n ds c a l a b l ei n t e r f a c ef o r d e s i g n i n gv a r i o u sl e v e l so fn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e m s i nt h ep r o c e s so fn e t w o r k t r a n s m i s s i o na n dd o c u m e n ts t o r a g e ，谢mt h ep r e c o n d i t i o no fh i g hs e c u r i t ya n dp e r f o r m a n c e t h el o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e mg i v e st h el o o n g s o n - 2 fp r o c e s s o ro fl o w e r f r e q u e n c yc o m p r e s s i v es t r e s s ，s oi tm a k e si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o n v a l u et oo p t i m i z et h et r a n s m i s s i o na n dd o c u m e n ts t o r a g eo fl o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e d s t o r a g es y s t e m t h e r ea r ef i v es t a g e si nt h ed e s i g n ，c u s t o m i z a t i o na n ds e t u po p t i m i z a t i o np r o c e s so ft h e l o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e m ：t h ep r o d u c t i o no fi n s t r u m e n tc h a i n ，t h ed e s i g n a n dc u s t o m i z a t i o no ft a r g e ts y s t e m ，k e r n e lc o m p i l a t i o n , t h ec r e a t i o no ft h ec o n f i g u r ef i l e n e c e s s a r yt os y s t e ms t a r t u pa n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h es y s t e ms t a r t u p t h ep a p e rt e s t e dt h e p e r f o r m a n c eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dd o c u m e n ts t o r a g eo nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e s y s t e mw h i c hb a s e do nt h el o o n g s o n - 2 fp l a t f o r mb yu s i n gp e r f o r m a n c eb e n c h m a r kt o o l s ， m o r e o v e r ，t h ec o r r e s p o n d i n gq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o nh a sb e e nd o n eo nt h ex 8 6p l a t f o r m w h i c hh a st h es i m i l a rh a r d w a r ec o n d i t i o nt h ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h el o o n g s o n n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e mh a sb e a e rp e r f o r m a n c eo fd a t a i o ( t h r o u g ht h e e s t a b l i s h m e n to fs o f t - r a i d ) a n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ( e x c e p tf o re n c r y p t e dn e t w o r k p r o t o c o ls f t p ) o nt h ew h o l e b e c a u s eo ft h ei n e f f i c i e n c yn e t w o r kt r a n s m i s s i o no ft h es 邱 e n c r y p t e dn e t w o r kp r o t o c o l ，t h i sp a p e rf i r s t l ym a d ed e t a i l e da n a l y s i so ft h es f t pw o r kf l o w a n dd e t e r m i n e dt h eo p t i m i z a t i o nd i r e c t i o n ；s e c o n d l y ，t h i sp a p e rg o tt h ec o r et i m e c o n s u m i n g f u n c t i o na e s _ e n c r y p t 0a n da e s _ _ d e c r y p t 0i nt h ee x e c u t i o nt i m eo fd a t at r a n s m i s s i o nf r o m l i b c r y p t o s o ；f i n a l l y ，t h i sp a p e rb r o u g h tu pt h em e t h o dt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fa e s u e n c r y p t i o nw h i c hb a s e do ne x p a n s i o no f m u l t i m e d i ai n s t r u c t i o n ( s i m dt e c h n o l o g y ) t h ef i r s t t i m e ，a n d o p t i m i z e dt h ea e sd e c r y p t i o n f u n c t i o no fl i b c r y p t o s ob yu s i n gt h es i m d t e c h n o l o g yo ft h el o o n g s o np l a t f o r m ，w h i c hc o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c s o fl o o n g s o n a r c h i t e c t u r ep l a t f o r m b e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n , t h er e s u l t so fd a t at r a n s m i s s i o no ft h es 卸e n c r y p t i o n ( a e se n c r y p t i o n ) s h o w e dt h a to p t i m i z a t i o no fa e se n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o nb a s e d o nt h e l o o n g s o ns i m dt e c h n o l o g yr e d u c e dt h et i m e ，s o i ti m p r o v e dt h et r a n s m i s s i o nr a t eo fs 却 n e t w o r ke f f e c t i v e l y t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nl o o n g s o ns i m dt e c h n o l o g ya c h i e v e d as a t i s f y i n ge f f e c tt ot h eo p t i m i z a t i o no f a e se n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o nf u n c t i o n s k e yw o r d s ：o p e n f i l e r ；s i m dt e c h n o l o g y ；s 邱p r o t o c o l ；a e se n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垄垒! 垫 、席 嗍叶年p 月乡日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位做储妊塑! 玺 指导教师签名：车丕么毫孝皿 日期：j 1 年牛月舌日 日期：z o o q 年4 月石日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 网络存储系统是面向网络的存储体系结构，存储设备和服务器系统通过各种存储 网络进行通信。网络存储系统基本可以分为n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，附加网络 存储系统) 和s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ，存储区域网络系统) 两种模式，附加网络存 储系统通过特殊的网络文件协议提供文件i o 级服务，而存储区域网络系统通过s c s i 传输协议提供块i o 级的存取服务。在附加网络存储系统存储结构中，存储系统不再 通过i o 总线附属于某个服务器或客户机，而是通过网络接口与网络直接相连，由用户 通过网络访问存储系统。附加网络存储系统的作用类似于一个专用文件服务器，此专 用存储服务器去掉了通用服务器原有的不适用的大多数计算功能，数据不再通过服务 器内存转发，直接在客户机和存储设备间传送，服务器仅起控制管理的作用n 1 。 1 1 背景及意义 目前，传统x 8 6 平台的附加网络存储系统数据读写都从控制器出入，造成了性能和 扩展性瓶颈，故应运而生了元数据流和数据流分离的架构和共享文件系统。客户端从元 数据服务器通过以太网获取访问数据的元数据后，直接通过块数据的形式从共享磁盘获 取数据，从而避免单控制器的性能瓶颈。但这种架构要实现异构环境的数据完全共享或 大规模系统的持续性能增长则非常困难。当前的网络存储领域大多以x 8 6 为硬件平 台，成本较龙芯处理器价格昂贵且核心知识产权受到保护。 龙芯处理器( l o o n g s o n ) 是我国自主研发的具有完全自主知识产权的处理器，它具 有低功耗，低成本的特点。l o o n g s o n - 2 f 处理器采用8 0 0 m 1 g h z 动态变频，并集成 d d r 2 控制器。龙芯附加网络存储系统是l o o n g s o n 2 f 处理器应用研究的一个重要方 向，同等硬件条件下x 8 6 平台的附加网络存储系统与龙芯附加网络存储系统相比，龙 芯附加网络存储系统功耗不及p c 机的1 0 ，极大降低了使用能耗，满足节约型社会应 用需求。l o o n g s o n 2 f 处理器内置预防缓冲区溢出漏洞攻击专利技术，高安全性的 l i n u x 操作系统，软件和硬件全面保障系统安全。在网络传输、文件存储过程中，以高 安全性、高性能为前提的附加网络存储系统对l o o n g s o n 2 f 处理器和龙芯2 f 基本操作 系统提出了更高的要求，也给主频较低的l o o n g s o n 2 f 处理器带来了压力，提升龙芯附 加网络存储系统在文件存储、网络传输性能有着重要的现实意义和应用价值。 龙芯附加网络存储系统的设计和优化过程分为三部分：龙芯2 f 基本操作系统的设 计、定制和优化；o p e n f i l e r 界面的移植；文件存储和网络传输性能的优化。龙芯2 f 基 第一章绪论 本操作系统设计、定制和启动优化完成后，在此平台上移植龙芯附加网络存储系统 后，经测试，其总体上具有较好的数据输入输出和网络传输性能，但与同等硬件条件 的x 8 6 平台量化对比测试发现，i o 操作性能与加密网络协议s 卸网络传输性能效率不 高。本文就是在此背景下提出并展开研究工作的，通过测试分析发现，加密网络协议 s f t p 在数据传输过程中使用a e s 加解密传输，在加解密过程中频繁执行移位、异或和 内存访存操作，因此，处理器资源过多的消耗在对数据的加密和解密过程中。 具有完全自主知识产权的国产高性能通用处理器龙芯2 f 是一款实现6 4 位m i p si i i 指令集的通用r i s c s o c 处理器瞳1 ，基于龙芯2 f 高性能通用处理器的附加网络存储系统 的控制主体包括主板、c p u 控制等；网卡负责与外界联络，是接受指令、服务要求的 管道；硬盘用来存储资料。其整体的架构如图1 1 所示。 图1 - 1龙芯附加网络存储系统架构 f i g l - i t h ea r c h i t e c t u r eo fl o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e m 1 2 主要工作及目标 龙芯附加网络设备直接与网络相连，可以建立用户到存储设备的直接数据连接， 以局域网的带宽取代了传统的i o 总线，因而具有更快的响应速度和更高的可持续性带 宽n ，并有较好的可扩展性，附加网络存储系统的网络结构如图1 2 所示。龙芯附加网 络存储系统主要有两种功能，一是文件存储功能；二是网络传输功能。网络存储的关 键特征是保证存储过程中的安全性能和流畅的速度，这是保证用户在接受网络存储的 前提。本文对两种平台下附加网络存储系统的i o 响应性能和网络传输速度进行理论 性的分析和实验检验，并对结果给出定量分析，以明确并优化龙芯附加网络存储系统 的性能。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 2 附加网络存储系统的网络结构 f i g l - 2 t h en e t w o r ks t r u c t u r eo fn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e m 本文完成了龙芯附加网络存储系统基本系统的设计、定制和优化工作。在附加网 络存储系统o p e n f i l e r 界面移植成功后，首次对整个附加网络存储系统的文件存储性能 和网络传输性能进行测试分析，并通过与x 8 6 平台的相关性能测试数据比较，找到龙 芯附加网络存储系统在i o 存储、加密网络协议s 邱网络传输上的依赖瓶颈并构建软 r a i d 、使用龙芯s i m d 技术优化，最终实现龙芯附加网络存储系统在文件存储、网络 传输上有更高性能。 1 3 文章的组织 第一章绪论。主要介绍了本课题的背景及意义、课题的研究内容、目标以及本文 的组织结构； 第二章龙芯2 f 基本系统的设计及启动优化。在移植附加网络存储系统o p e n _ f i l e r 界面前首先设计、定制并优化了龙芯2 f 基本系统，为龙芯附加网络存储系统提供了移 植平台； 第三章龙芯附加网络存储系统的性能测试及分析。对比x 8 6 体系架构测试了网络 存储系统的网络传输、文件存储性能，量化对比测试结果得出：在硬件环境大致相同 情况下，两种体系下的网络传输性能相当，但龙芯附加网络存储系统存在加密网络协 议s 邱传输效率低、磁盘i o 操作性能不高的缺点； 第四章龙芯加密网络协议s f t p 网络传输的性能分析与优化。本章分析了协议s 邱 的工作原理及其复杂性，确定了s 邱网络传输瓶颈，提出了提高加密网络协议s 邱网 络传输性能的多项建议和优化构想，并根据优化构想对a e s 加解密过程进行了优化； 第五章龙芯加密网络协议s 邱优化前后性能评测。优化前后加密网络协议s 邱数 据传输性能的评测和比较； 总结全文，并给出下一步的研究方向。 3 第二章龙芯2 f 基本系统的设计与启动优化 第二章龙芯2 f 基本系统的设计及启动优化 本文的研究过程分为龙芯2 f 基本操作系统的设计与启动优化、o p e n f i l e r 界面移植、 文件存储和网络传输性能的测试与分析、系统性能优化四个方面，龙芯附加网络存储系 统性能研究的整体流程如图2 - 1 所示。 龙翟璧孝系l 一系统优化启动 统设计”“”“咧 o p e n f i l e r 移植 文件存储测试分 析 网络传输测试 分析 组建软r a i d i s f t p 优化 磁盘u 望比测f 基准工具测试 试i 一一一”1 ” 下一步研究方向 图2 - i 龙芯附加网络存储系统的研究流程 f i 9 2 - i t h er e s e a r c hp r o c e s so fl o o n g s o nn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g es y s t e m 龙芯2 f 基本系统的成功设计与定制是建立龙芯附加网络存储系统的基础，因为基 本系统将为龙芯附加网络存储系统的主体软件框架o p e n f i l e r 提供移植平台。本章主要 有三部分内容：简要介绍l o o n g s o n - 2 f 处理器；龙芯2 f 基本系统的设计与定制；基本 系统的启动优化。 2 1l o o n g s o n - 2 f 处理器简介 l o o n g s o n 2 f 是一款6 4 位、四发射、乱序执行的r i s c 处理器，实现m i p si i i 指令 集。该处理器采用先进的乱序执行技术( 如寄存器重命名、转移预测和动态调度) 和 c a c h e 技术( 如非阻塞c a c h e 、l o a d 猜测、动态内存相关和写合并技术) ，并集成了二 级c a c h e 、d d r 2 内存控制器和i o 控制器来提高流水线效率和i o 能力嘲。图2 2 是 l o o n g s o n 2 f 的架构图乜1 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2l o o n g s o n - 2 f 处理器架构 f i 9 2 - 2l o o n g s o n - 2 fp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e 2 2 龙芯2 f 基本系统的设计 基于l o o n g s o n 2 f 处理器的基本系统是在x 8 6 体系平台上交叉编译的，因为在裁减和 定s t j l i n u x 内核用于嵌入式系统前，由于未建立目标平台且资源受限，故在性能优越的 p c 上建立用于目标机的交叉编译环境，交叉编译的基本原理阳1 如图2 3 所示。 5 第二章龙芯2 f 基本系统的设计与启动优化 当前体系 m i p s 体系 。i 布v 临太的绌译罢 f 交叉版本的编译器 交叉版本的编译器 交叉版本的链接器 源代码 m i p s 体系下的 二进制文件 编译用工具p 图2 - 3 交叉编译的基本原理 f i 9 2 - 3t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc r o s s - c o m p i l e r 龙芯附加网络存储系统基本操作系统的制作流程分为四个阶段：工具链制作、目标 系统的设计与定制、k e r n e l 的编译及系统启动必要的配置文件的建立。本部分从以下四 个方面详细说明了龙芯2 f 基本系统的整个设计与定制过程。 一、交叉工具链的制作 在当前p cl i n u x 操作系统用户下建立目标系统的用户信息、日志文件，切换至该目 标系统的用户后，设置新的环境变量，设置e x p o r t 为： e x p o r t 目标系统根目录= ”m i p s 6 4 e l - u n k n o w n l i n u x g n u ”目标系统编译器类型 e x p o r tp a m 仁目标系统目录下对应的b i n 目标系统应用程序命令 编译工具链工作包括内核的头文件、编译器、链接器、c 运行库等。定制工具链的 过程如下图2 4 所示： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 4 工具链的编译原理 f i 9 2 - 4t h ec o m p i l e rp r i n c i p l eo ft o o lc h a i n 接下来，本文对交叉工具链的制作做简要介绍。 1 、编译交叉版本链接器 交叉链接器在编译过程中不需加载内核头文件，只需要将生成的交叉版本放入目 录交叉工具集里即可。编译时，去除内核头文件，整个编译过程如图2 3 所示。该交叉 版本链接器的编译纯粹为了后续的c 运行库的编译而编译，目标系统链接器的编译将 在后续的目标系统定制中说明。 2 、编译内核头文件 进入l i n u x 内核源码下，执行操作m a k ei n c l u d e 1 i n u x v e r s i o n h 编译成功内核头文 件，以便编译交叉编译器所用。 3 、编译目标系统c 运行库的头文件 c 运行库在编译过程中分为两个阶段：一是其头文件的编译，执行操作m a k e i n s t a l l h e a d e r s ；二是目标系统的c 运行库的编译。这一阶段只进行头文件编译，因为目 标系统库的编译还需要后续编译器的参与。 4 、编译交叉版本编译器( 仅支持c ) 编译器的编译是最复杂的，在其编译的过程中，总共要进行三个阶段的操作。前两 个部分是进行交叉版本的编译，第三阶段是目标系统编译器的编译。下面执行第一阶段： 7 第二章龙芯2 f 基本系统的设计与启动优化 编译c 库，执行操作的参数为一e n a b l e l a n g u a g e s = c ；第二阶段的交叉编译将在第6 阶段说 明；第三阶段，目标系统编译器的编译原理及方法将在下一节目标系统的设计过程中进 行说明。 5 、编译目标系统c 运行库 在编译目标系统c 运行库时，b u i l dc c 指定了运行在本系统下的编译器的类型； c c 指定了交叉用类型，该类型在编译前已在环境变量中设置成m i p s ；参数- w i t h h e a d e r s = 目标目录u s r i n c l u d e 指定使用的头文件。 6 、第二次编译交叉版本编译器( 支持c c + + ) 为了编译目标系统的相关软件包，使用第五步编译成功的可在目标系统上运行的c 运行库编译交叉版本编译器。在编译过程中加入参数：一e n a b l e l a n g u a g e s = c ，c + + 。具体 的编译过程如图2 3 所示。 综上所述，交叉工具链的基本过程已经结束。顺利进入第二步，目标系统的设计与 定制。 二、目标系统的设计 设计与定制目标系统前，先配置目标系统的环境变量，然后完成工具链的制作，其 中包括已编译成功的c 运行库，此时，可以使用上节编译成功的交叉编译工具链来完成 目标系统各个软件包的编译。交叉工具链编译出的代码只可在目标系统m i p s 体系架构下 运行，编译中会用到很多当前系统中的一些命令，相关命令编译成功后，当前系统依旧 使用当前系统下的指令且亦无法使用编译成功的相关指令，原因在于交叉编译成功的指 令只能在目标系统m i p s 体系下执行，无法在当前系统x 8 6 体系下运行。在编译时，先编 译目标系统的链接器，然后编译目标系统的编译器，接下来，利用已编译成功的交叉工 具来编译目标系统的各个软件包，其中目标系统编译的软件包有如下：链接器、编译器、 s e d 、g e t t e x t 、u d e v ( 内核须支持s y s f s 和t m p f s ，在内核的编译过程中选择此项) 、b a s h 、 编辑工具v i m 、解压工具t a r 等共4 7 个软件包。在编译中，在注意编译的先后顺序，对于 有动态库或有静态库的软件，如果在编译中需要依赖其它包，则先行编译此包。例如： 在编译r e a d l i n e 、n c u r s e s 时，因为r e a d l i n e 要链接n c u r s e s 的静态库，故次序问题会导致编 译出错；同理，在u d e v 的编译过程中，也会因为链接库的问题出现问题，故编译时放在 g c c 编译之后。 三、目标系统k e r n e l 的编译 目标系统k e m e l 编译采用源码l i n u x 2 6 2 7 1 ，内核的编译亦采用如上交叉编译方 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式，交叉编译中注意参数，指明目标系统的体系结构为m i p s 。 四、目标系统配置文件的建立 l 、建立启动文件选项i n i t t a b ；设置默认的启动选项l e v e l = 3 。 2 、配置b a s hs h e l l 启动文件。 e x p o r tl a n g = z h c n u t f 一8 e x p o r ti n p u t r c = e t c i n p u t r c 3 、建立f s t a b 文件。设置用户所默认的分区列表：主分区、交换分区以及s y s f s 等。 2 3 龙芯2 f 基本系统的启动优化 龙芯2 f 基本系统设计与定制完成后，首要的工作就是优化启动速度。这里，简要 介绍一下系统启动的基本过程。当k e r n e l 被加载入后，k e r n e l 就去执行s b i n i n i t ，i n i t 执 行读取e t c i n i t t a b 下的内容，并初始化系统，具体执行为：i n i t 读取i n i t d e f a u l t ，得到默 认的r u n l e v e l 为3 ；i n i t 读取e t c i n i t d r c s ，执行初始化系统；i n i t 读取e t c s u l o g i n ，执行 初始化系统服务指令。因为默认启动的r t m l e v e l 为3 ，故e t c r c 3 d 下面的所有s 开头的 服务就是系统启动时要初始化的服务。 为定量分析系统启动过程和资源消耗，本文使用b e n c h m a r k 性能基准工具b o o t c h a r t 测试，并对龙芯2 f 基本系统获取了测试数据，分析得出以下结论： 1 、操作系统启动过程中，c p u 占用率始终处于较高水平，仅仅在前期u d e v 初始化 后和后期大量磁盘操作等待i o 时占用率较低； 2 、大量设备的初始化( 例如u d e v 和n e t w o r k ) 占用了较多前期的c p u 资源。 针对以上的结论，为了提升启动速度，以下本文提出了对应的优化构想： 1 、i o 操作过程中，c p u 占用率不高时，可对上层应用服务采用并行启动，缩短启 动时间； 2 、前期去掉了u d e v ，在根分区的d e v 目录中建了比较完整的静态设备文件，采用 此种优化方法，可使系统启动速度提高。 以下本文将根据以上优化构想对并行启动优化的过程作概要说明。 2 3 1 并行启动优化的原理 确定r u n l e v e l 默认的启动服务后，把其中无依赖关系的服务同时初始化，理论上 讲，可以提高启动速度。m a k e 这个工具完全可以实现这一需求，对于相互有依赖关系 的服务，m a k e 可以解决它们的依赖性；然后使用参数- j 使上层应用服务并行启动。各 服务启动时的依赖关系可以写入m a k e f i l e 文件里。例如：n f s ：n e t w o r k ( 表示：n f s 服务依 9 第二章龙芯2 f 基本系统的设计与启动优化 赖于n e t w o r k 服务，n f s 服务后于n e t w o r k 服务启动) 。 2 3 2 并行启动优化的实现 本节根据并行启动上层应用服务原理对龙芯附加网络存储系统进行了优化，优化前 后的测试结果表明龙芯附加网络存储系统的启动时间由5 6 秒减少到4 5 秒，有效地提高 了启动速度。具体的实现过程： 1 、在e t c i n i t d r c 里加入引导选项( 目的用于调用m a k e 命令) ： i f 【”$ r u n l e v e l ”= 3 】 t h e n m a k e - j f e t c r u n l e v e l m ks t a r 3 m kr u n l e v e l = 3j o b = s t a r t 2 、设计r u n l e v e l m k 和s t a r t 3 m k 等m a k e f i l e 配置文件。 r t m l e v e l m k 是控制性的配置文件；s t a r t 3 m k 是服务依赖描述文件，龙芯附加网络存 储系统启动时依赖的服务列表s t a r t 3 m k 的部分内容为： n f s ：n e t w o r k a p a c h e ：n e t w o r k t i p ：n e t w o r k s s h ：n e t w o r k s a m b a ：n e t w o r k m a k e 较好地解决了龙芯2 f 基本系统上层依赖性应用服务的并行启动问题，经过后 期测试证实并行启动上层应用服务使龙芯附加网络存储系统的启动时间减少了近 2 0 。 2 3 3 下一步优化的方向及建议 1 、p m o n ：现有的p m o n 运行时间约为7 秒左右，耗时明显过长，应有较大的优 化空间； 2 、内核：内核中有些模块的初始化时间较长，例如u s b c o r e 和u s b s t o r a g e 耗时约 2 3 秒，因此建议将非系统必须的模块改成模块加载，在系统启动到登陆终端界面以后 以脚本的方式m o d p r o b e 加载。 3 、可考虑对内核添加r e a d a h e a d 补丁，该补丁采取预先读取的方式，将后期可能 用到的磁盘内容一次性集中读取到内存中，避免c p u 由于等待i o 操作而效率不高的情 况。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 4 本章小结 龙芯2 f 基本系统设计与定制的工作量相当大。因为，一个完整系统的设计与定制 涉及到内核编译、几十个软件包的定制与复杂编译、配置文件的设计配置过程，要完成 设计与定制，要对系统有一个完整的了解。在龙芯2 f 系统定制成功后需要提高性能， 首要的工作是提高启动速度，在并行启动上层应用服务优化启动速度时要特别注意 s t a r t 3 m k 的依赖关系，因为任何的依赖错误将导致多项服务无法正常启动。后续的工作 中将根据优化的方向及建议进一步研究并优化系统启动性能。下一章将介绍基于龙芯2 f 基本操作系统平台的o p e n f i l e r 系统的性能测试和分析。 第三章龙芯附加网络存储系统的性能测试及分析 第三章龙芯附加网络存储系统的性能测试及分析 龙芯附加网络存储系统采用面向网络的存储体系结构，客户端和服务器端通过各种 存储网络进行通信。o p e n _ f i l e r 管理界面支持的存储服务结构极为丰富，为设计各种层次 的附加网络存储系统提供了良好的可伸缩接口，o p e n f i l e r 也是龙芯附加网络存储系统设 计的主体软件框架，所有其它的网络应用支持都集成在o p e n f i l e r 的管理界面上。本系 统采用最新的国产通用6 4 位l o o n g s o n 2 f 处理器，整机功耗小，不到普通p c 机的十分 之一，极大降低了使用能耗，满足节约型社会应用需求。o p e n f i l e r 移植到龙芯2 f 基本 系统上以后，下一步选取性能基准工具对建立在龙芯2 f 基本系统上的附加网络存储系 统的网络传输性能( s m b 、n f s 、f t p 、s 邱) 和文件存储性能进行测试，并在x 8 6 平 台作相应的量化对比，根据量化对比测试结果确定系统的瓶颈并进行优化。 3 1 龙芯网络附加系统的架构分析 l o o n g s o n - 2 f 内置预防缓冲区溢出漏洞攻击专利技术，高安全性的l i n u x 操作系统， 软件和硬件全面保障系统安全。o p e r t f i l e r 系统支持l v m 磁盘管理，支持i s c s i ，支持 e x t 3 、x f s 、j f s 、r e i s e r f s 等各种稳定高速的文件系统，支持文件系统的快照，支持直 观清晰的磁盘分配和状态监控等操作“1 。采用了适合企业使用的用户认证管理方式 ( l d a p 和n i s ) ，并根据不同的使用方式提供了不同的设置方式( 简单设置和定制设 置) 。邮件服务器：可以设置域名、邮箱、别名，虚拟用户管理，域名管理，自带w - e b 邮件客户端，支持p o p 3 ，s m t p 邮件协议，支持创建一个打印管理的服务器，可以同 时管理多个打印机的打印功能，支持重要操作的日志功能，支持备份重要配置的功能h 1 。 l o o n g s o n 2 f 和龙芯2 f 基本操作系统应用于网络存储领域，拓展了龙芯处理器的应用研 究领域和发展方向。基于龙芯的附加网络存储系统包括四大部分：硬件设备、接口，操 作系统，网络通信和上层应用程序4 个部分： 1 、系统的硬件设计： c p u ：l o o n g s o n 一2 f ，6 4 位，8 0 0 m h z 1 gh z 动态变频，内置北桥。 m e m o r y ：集成d d r 2 控制器，5 1 2 m 内存 p c i 6 6 m h zp c i 13 3 m h zp c i x 整机功耗： 1 0 w 2 、操作系统： 龙芯2 f 基本操作系统在上一章已详细说明。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统的软件设计：o p e n f i l e r 附加网络存储系统。 3 、人网络通信： 文件共享协议：c i f s s m b 、n f s v 3 4 、p r o f i p d 、s 邱、i s c s i 、h t t p d a v 网络协议：t c p i p 4 、上层应用： f t p 一键备份 存 储 s a m b a 网 安全日志 服 络 务 七 比 用 邮件提醒 磁盘管理 h 1 v r p 服务 p 2 p 下载 o p e n f i l e rw e b 打印机 管理界面 u p n p l 国际化 i 其 l 它 d h c p 扩 日b 月i x 展 磁盘休眠 及 应 ：y - j 网关 用 一键恢复 图 界面系统的构成 f i 9 3 3 测试工具简介 一、文件i o 基准工具 基准工具是较好的文件操作测试工具，该基准产生和测量多种文件级别 操作，并且许多操作是其他文件系统基准所没有。它的主要操作包括：操作、 操作、操作、操作、随机读操作、随机写操作、随机混合、 向后读操作、记录重新写操作、读操作、操作、操作、 操作、操作、操作、异步 操作1 。的操作基本上模拟了文 件读写的所有可能。它提供的与文件读写相关的测试功能主要有点： 操作， 操作，操作， 操作。 1 、提供向磁盘写文件的性能测试。当写一个新的文件的时候，不仅仅要在 第三章龙芯附加网络存储系统的性能测试及分析 磁盘上记录下要存储的数据，还要记录一些用于跟踪定位文件的元数据信息。元数据包 括目录信息，空间分配信息，以及其它与文件位置相关的信息等等。由于首次写文件要 记录这些元数据，因此其写的性能应比写一个已经存在的文件低嘲； r e w r i t e 测试向一个已存在的文件写入的性能； 2 、r e a d 测试读一个已存在的文件的性能； 3 、r e r e a d 测试重读一个刚刚被读入文件的性能。重读的性能要比首次读高，因 为操作系统一般会维护一个用于存放刚刚读入的数据的c a c h e 。当再次读这些数据的时 候，就会从c a c h e 中读取数据，而不用再访问磁盘1 。 二、磁盘i o 性能