性能分析的标识符定位器通信缓存影响ILNPv6堆栈

文摘

Identifier-locator网络协议(ILNP)是一个基于主机的标识符/定位分割架构方案(伊尔莎),这取决于地址重写以支持端到端移动和multihoming。地址重写由主机使用网络层的逻辑执行缓存存储状态信息与通信主机,叫做identifier-locator沟通缓存(ILCC)。因为地址重写ILNP包的基础上执行,ILCC查找在每个数据包的接收和传输是必需的。这导致一个强大的主机的网络堆栈性能之间的相关性和ILCC性能。本文研究ILCC大小对网络堆栈性能的影响。在本文的直接比较两个ILNP原型的性能相差ILCC管理机制。我们现在ILCC尺寸测量和研究对主机的网络栈的性能的影响。结果表明,ILCC增长引起的记者有一个显著的影响在两个网络的延迟和传输层。结果表明,控制ILCC大小通过一个有效的政策强烈提高ILNP网络栈的性能。

1。介绍

在过去的二十年里,由于许多研究工作,有一个共同认识到,网络路由和寻址体系结构是在可伸缩性、遇到挑战multihoming, interdomain交通工程(1- - - - - -4]。克服这些挑战和应对当前互联网增长水平没有诱导禁止增加网络运营费用,提出了一些解决办法,其中很多都是基于伊尔莎(5- - - - - -7]。

基于主机的伊尔莎计划是ILNP之一。ILNP取代目前的地址空间的建筑概念(IP)有两个地址空间,特别是定位器和标识符。ILNP的体系结构概念是独立IP的版本,但它适应相同的数据包格式,因此,有两种变体ILNP: ILNPv4,基于IPv4数据包格式,和ILNPv6基于IPv6数据包格式(8- - - - - -10]。

ILNP当前互联网架构提供了一个增强通过丰富的集合使用名称空间,而不是采用一个干净的石板名称空间。它适应进化的方法,假设IP将保持互联网的命名空间。基于这个假设,它分离IP的语义重载节点标识符)(国家免疫日之间的分裂,这是一个nontopological唯一标识一个节点的名称,和定位器(Loc),这是一个为IP子网拓扑约束名称。因此,在IPv6数据包报头,每128位IPv6地址是Loc分成64位和64位(为国家免疫日11]。

作为RFC6741 [12]表明,ILNP网络堆栈实现存储状态信息通信主机的网络层在ILCC,使得信息,如当前有效的NIDs Loc优先,Loc终身为本地主机和现时标志值,和当前和最近的记者。因此,ILNP介绍网络层会话的概念,以促进ILNP地址重写以支持端到端移动和multihoming。

作为协议地址重写设施,ILCC必须提供最新的loc和NIDs的映射信息。因此,ILCC查找成为关键部分的每一个数据包接收和传输ILNP协议栈。在ILNP传输中,网络层只接收本地和远程NIDs的上层。之后,选择最有利的loc ILCC远程和本地主机。同样在接待,当网络层收到一个数据包为当地交付,它提取两对NIDs loc属于远程和本地主机从包的头,然后,网络层进行有效性检查提取的双,决定继续在数据包接收或放弃。经过前检查,网络层只处理NIDs传输层。关于这个过程的更多细节可以在RFC6740 [11]。

在本文中,我们研究两个ILNPv6原型的性能当用户数据报协议(UDP)作为传输层协议。第一个原型是由圣安德鲁斯大学,可以在13),第二个是我们提出的14]。两个原型之间的主要区别,本文着重于,是用于管理ILCC政策。

本文的主要贡献如下:(我)我们进行了全面比较两个ILNPv6原型的ILCC规模和服务包和下降率(2)我们测量的延迟了两个原型在不同网络堆栈层(3)我们还为原型进行了系统分析和分析的内部载荷分布(iv)根据前面的结果,我们显示如何ILCC无限制的生长可以引入一个重要内核延迟,以及最坏的情况下,例如,通过恶意或窃听主机,可以增加几个毫秒的延迟以及如何避免这种情况最坏延迟

剩下的纸是组织如下:回顾相关工作提出了部分2。部分3论述了当前ILNP缓存策略。测试环境,发达的交通生成器,使用工具集,评估场景介绍了部分4。部分5介绍了包括性能指标和分析获得结果。最后,部分6总结这项工作。

2。相关工作

ILNP是一个进化的解决方案推荐的互联网研究工作组(IRTF)那样,路由研究小组加强当前互联网路由体系结构。这是许多类型的研究的主题。例如,阿比德et al。15)开发了一个分析成本模型来研究三伊尔莎方案的性能,即ILNP和主机标识协议基于主机的伊尔莎(臀部)作为代表计划,和定位器/标识符分离协议(LISP)作为基于网络的伊尔莎的计划。多个性能指标分析模型中指出,像连接建立成本、数据包交付成本,和记者的数量的影响。分析结果表明,网络与大量的记者减少基于主机和基于网络的伊尔莎的表演计划显著。工作(16]介绍了UDP的第一个实现在ILNPv6 Linux内核。UDP的引入绩效评估ILNPv6使用此实现显示ILNPv6切换性能比移动IPv6的吞吐量、丢包和切换延迟。我们的以前的工作有关14)关注ILCC失控发展带来的性能影响,我们提出了一个政策三方握手作为支持机制来控制ILCC增长。初步评价侧重于网络层性能,结果表明,该策略可以避免网络层通过避免不必要的延迟采用ILCC条目。

而前ILNP工作提供了一个分析模型研究ILNP性能(15)或演示了这种协议支持移动(16),本文中的重大贡献,超越以前的工作的结果(14),是一个全面的比较两国ILNPv6原型。此外,相关工作(14]措施只有内核网络层在不同负载下的延迟。我们测量ILCC大小在不同负载和内核延迟在不同网络堆栈层为不同ILCC大小和研究对服务包和下降率的影响。除此之外,系统剖析了指出性能下降的原因。测试设置也改进了工作在14),我们使用一个自定义流量发生器,这将在稍后描述在本文中,除了使用一套工具监控内部和外部ILNPv6主机的行为。

3所示。当前ILNP缓存策略

RFC6741 [12]介绍了ILCC的概念作为一个需要本地缓存的状态信息,使得ILNP操作。但是,它不包括任何的描述如何管理ILCC和规则添加新记录。此外,ILNPv6的原型实现13采用一个简单的政策来管理ILCC。在这一政策,主机添加一个新的ILCC条目为每个新记者基于网络层的状态没有任何限制。在这个实现中,对于每一个新的本地交付数据包,它执行一个ILCC查找,如果记者不存在,它只是简单地添加一个新条目ILCC,没有考虑到主机的状态的层或流的要求更高,这包所属。因此,之间有一个双射ILCC条目的数量和记者的数量。

为了克服问题的失控ILCC增长在UDP主机交换数据时,我们介绍了在前一个工作14)采用ILCC条目的新政策。这一政策后,添加一个新条目ILCC不是一个纯粹的网络层决定,而是决定在一个集成的方式在网络层和传输层之间。使用此策略,添加一个新条目的决定ILCC取决于多个标准提供的附加值这个进入交流结束后,共同批准,两端和可用性的资源。ILCC条目的附加值来自两端UDP套接字的类型。基于UDP套接字的本质上运行结束,ILCC条目时仅仅是有用的一个或两个套接字连接。表1总结了添加ILCC条目的值的影响,不同的UDP套接字类型ILCC大小。介绍政策采用三方握手作为使两端相互认可和机制取决于新Internet控制消息协议IPv6 (ICMPv6)消息作为一个专门的、独立的控制计划,维护UDP提供的数据交换的性质。拟议的政策考虑许多因素可能影响通信主机的批准,如网络层会话的数量和可用资源。如果沟通主机没有达成共同批准,它们之间的数据交换仍在继续,但这种交流不会受益于[ILCC的服务(更多细节14])。

稍后,我们将参考Linux内核运行原型圣安德鲁斯大学的“没有政策”内核和“政策”内核,内核运行我们的原型。

4所示。测试方法和设置

以下部分描述了使用测试环境,发达的交通生成器,评估场景,使用工具集。

4.1。测试环境

在进行的实验中,数据被ILNPv6两个主机之间的一个方向。如图1,源和目标都是一个单独的虚拟机和驻留在相同的VMWare企业级管理程序(ESXI)。两台主机位于同一虚拟局域网(VLAN)和连接到ESXI的VMware虚拟交换机(vSwitch)使用1 Gbps链接作为标记。源和目标的特点如表所示2。在目标特性四个以太网适配器接收和传输环缓冲区,和他们每个人有256个描述符。

4.2。流量发生器

发达交通生成器使用PF_PACKET ILNPv6数据包生成特殊构造的UDP套接字,像这种类型的套接字提供了一个非常强大的方式发送数据包通过直接访问网络设备(17]。它生成IPv6数据包与nonce目的地选择,所以目标,ILNP能干的主机,将处理这些包ILNPv6包。所有生成的数据包有相同的大小(76字节),和生成器代码库是用C编写的,Bash。图2显示了发电机的体系结构。在启动,它运行一个主sh文件,控制包代体积,通过用户提供的参数类型,和持续时间。此外,它控制着监控流程。根据用户提供的参数,会产生几个进程负责生成UDP数据包注定要目标。

发电机有两种生成过程来生成两种不同类型的UDP数据报。第一个代表相同的回声请求从一个固定的来源{NID, Loc}对一个echo服务在目标系统上运行。包的字段是不断的在这种情况下,这种简单的生成过程。启动后,每个进程取决于一个预定义包模板初始化和填充数据结构所需的所有数据包。然后,它将进入一个循环,这取决于PF_PACKET套接字将相同的数据包发送到目标主sh文件指定的持续时间。在第二种类型的UDP数据报,每个生产UDP数据包。有一个随机生成的来源国家免疫日这种类型的UDP数据报将被用来模拟在记者的数量增加的目标。这样的结果,生成过程更为复杂与以前相比,我们将称之为加载过程。启动后,每个加载过程初始化和填充一些数据包所需的数据结构。之后,它将进入一个循环,执行四个操作:生成一个随机的,来源国家免疫日填包结构,计算UDP pseudoheader校验和ILNP只使用源和目的地NIDs所(11),最后使用PF_PACKET套接字发送数据包到目标。

用表中列出的功能2,生成器生成交通量如图3使用20第一种生成过程和数量可变的加载过程。然而,这本书能充分显示了瓶颈的分析系统。

在实验中,加载过程的数量改变了从0到10。这项工作中使用的命名约定如下:加载过程的数代表了测试等级。我们将参考每个测试级别和“测试”前缀。电平与零负载测试过程,等等。每个测试回合持续60秒。

4.3。测量工具

这个ILNPv6堆栈的关注绩效评估工作,数据的内部和外部的行为目标是如何收集的。收集信息的外部行为ILNPv6在实验网络堆栈tcpdump和ethtool被使用。tcpdump是用来记录所有线流量,而ethtool用于统计的网络接口控制器(NIC)驱动程序。内部的信息ILNPv6网络堆栈行为收集使用trace-cmd和性能。trace-cmd是一个用户空间的前端工具,与示踪Ftrace交互构建在Linux内核(18),而性能Linux是一个性能分析工具能够轻量级分析(19]。

4.4。传输层的测试设置

在传输层的测试场景中,目标只运行一个echo服务,只需发送回原始源接收任何数据。在这个测试场景中,一个评估进行了传输层的两个ILNPv6原型在两个阶段。在每个阶段,11个测试是为了履行阶段执行的目标。第一阶段的目标是衡量ILCC大小、延迟添加内核,和包服务和下降率,而第二阶段的目标是执行目标的操作系统分析获得洞察ILNPv6堆栈上生成的UDP流量的影响性能。

执行11测试开始的电平,以Test10结束。在电平,只有第一种UDP数据包从源发送到目标。这个测试是为每个原型用于建立一个基线性能。第二种类型的UDP数据报的比例逐渐增加在Test10从电平的0%到34%。此外,源发出的UDP数据包的平均数量增加测试的进展,从每秒1280包电平,以每秒1940包Test10如图3。

在第一阶段的测试,trace-cmd是用于跟踪的执行时间udpv6_sendmsg传输层与内核函数function_graph示踪剂。这种示踪剂可以跟踪的入口和出口跟踪功能和它的后代。此外,收集统计数据网卡的驱动程序。

在第二阶段的测试中,三个层次的目标进行分析。第一层是整个系统的监控整个系统负载。第二个也全系统和目标系统之间的载荷分布的三个组件:用户空间,内核空间,网卡的驱动程序在测试。第三层次的分析是在内核中完成的。澄清的分布加载内核的功能,我们把这些函数分为两类:第一类包括ILCC的函数,和其他内核的功能是位于第二组。

4.5。测试设置为网络层

之前使用相同的方式,网络层测试分两个阶段进行,每个阶段由11个测试。进行这些测试证明采用新带来的安全风险和性能恶化ILCC条目ILNP能够主机只基于一个纯粹的网络层决定。

在测试场景中,目标是闲置没有任何正在运行的服务。当一个主机处于这种状态和接收UDP数据包,如上所述在RFC1122 [20.),它应该生成一个Internet控制消息协议(ICMP)目的地不可到达消息代码3(端口访问),因为指定的传输协议(在我们的例子中UDP)不能分工数据报和没有协议机制来通知发件人。考虑到之前的主机的要求,评价调查两个原型如何处理第二种类型的UDP数据报可能产生的恶意或窃听主机和研究这种交通的影响。

前面描述的流量发生器用于网络层测试。图3显示生成的交通卷两种类型。在网络层的测试中,只有第二种类型的UDP数据包生成。基于此,电平代表了源和目标的空闲状态,不发送任何数据包注定要目标。从Test1,生成的交通速度是每秒65包的测试。之后,发送的数据包数量的增加在Test2每秒125包。发送数据包的数量逐渐增加持续测试进展,直到在Test10达到每秒660包。

在第一阶段测试,前一节中给出的相同的工具集是用于监控的内部和外部行为ILNPv6网络堆栈。在进行测试,trace-cmd使用跟踪的执行时间ip6_input_finish网络层与内核函数function_graph示踪剂。如前所述,这示踪剂能够跟踪跟踪函数的入口和出口及其后代。这个函数被选中,是因为它是最后一个IP层函数在Linux内核接收路径,它解析数据包的目的地选择扩展头,包括目前的选择。此外,原型过程nonce选项和执行ILCC查找和家政。

在第二阶段的测试是用于执行一个分析目标的内核,剖析来说明进行加载的内核函数的分布。我们把这些函数分为两类:第一类包括只是ILCC函数和内核的其他函数位于第二组。

4.6。图

所有图表代表测量目标在两个测试场景的不同方面。第一个场景是传输层的场景,第二个是网络层的场景。每个场景与11个测试包括两个阶段。在每个场景中,相同的11个测试在每个阶段进行的。每个测试在每个阶段重复十次获得更准确的结果,排除边际值。之后,通过聚合获得的平均值是结果。图形化测量的基础上,每个测试方面的平均值是十迭代相同的测试,除非另有提及。标准差是误差线所示。

5。结果和分析

在这里,我们目前的结果收集内部和外部目标行为进行了测试。常用的性能指标如下。(我)ILCC大小:ILCC的大小在目标测试测量;值接近于零更好;零是理想的。(2)由内核,内核延迟:延迟添加网络和传输层,测量在目标;值越小越好。(3)数据包服务和下降率:服务和丢弃的数据包的数量目标测量;服务速率值接近负载提供更好;虽然下降率更低,零理想。

此外,目标系统概要介绍给见解对交通产生的影响。

5.1。ILCC大小

以下部分介绍ILCC大小的测量进行了测试,作为第一步理解对ILNP堆性能的影响。

5.1.1。传输层测试

内核与政策保持固定ILCC大小的零入口整体测试。根据采用的政策,原因是随着两端之间的数据交换不包括任何连接,没有需要创建一个记录在ILCC服务交换,同时,在内核中没有政策,ILCC保持一个固定的电平大小的一个条目。然而,在其他的测试中,与第二种类型的UDP数据报的存在,ILCC大小线性模拟记者的数量增加。图4显示了内核ILCC大小在一些测试没有政策。如图4,目标开发了一个ILCC上阈值的大小。第一个测试,达到这个阈值是Test7,而且,所有后续测试。值得一提的是,数字4不包括ILCC增长曲线都进行测试,以保持清晰的图。进一步调查上ILCC阈,相同的测试进行了在不同的目标硬件规格。上阈值的观察是ILCC大小密切相关,可用的硬件资源,和不同的硬件资源有不同的阈值。

5.1.2中。网络层测试

第二种类型的UDP数据包ILCC大小没有任何影响在内核的政策。这个内核保留一个空ILCC在所有进行测试因为没有传输层套接字在等待这些包。因此,政策的决定并不是为这些数据包添加ILCC条目。

虽然目标是空闲的,内核没有政策保持空ILCC电平。然而,在其他的测试中,与第二种类型的UDP数据报的存在,ILCC大小线性模拟记者的数量增加,尽管缺乏UDP套接字为那包。一致的结果在前一节中,目标已经开发了一个ILCC上阈值大小约15 k条目。图5显示的增长ILCC在内核中没有政策的一些进行测试。如图所示,这个阈值是在Test5和所有后续测试。

5.2。内核延迟

每个网络堆栈在主机级别有延迟的影响。ILNP堆栈,尽管ILCC是一个基本组件,堆栈中,作为一个优化,应当避免不必要的延误在ILCC责任;ILCC大小和查找成本,ILNP网络堆栈应该仔细决定采用哪个条目ILCC降低延迟,同时实现其目标的能力。进一步了解ILCC ILNP堆栈大小影响性能,以下部分介绍了延迟引入了两个原型进行测试。

5.2.1。传输层测试

图6显示了平均延时的增加改变了第二个内核的UDP数据报。在性能基准测试(电平),两个内核保持相同的平均延迟。在以后的测试中,内核与政策几乎保存相同的延迟。此外,这个内核的延迟是正态分布在每一个测试中,一个非常低的标准偏差。然而,内核没有政策显示增加延迟测试进展。从Test1,这个内核有一个长尾延迟相当大的标准偏差的概率分布。

5.2.2。网络层测试

图7显示了平均延时的进步改变了内核的测试。虽然目标是空闲的,在网络层的测试中,观察是第二种类型的UDP流量严重影响延迟的网络层内核没有政策。正如所料,在性能基准测试(电平),两个内核诱导零延迟在网络层。在后续的测试中,内核与政策几乎保存相同的平均延迟,与正态分布在每个测试延迟和一个非常低的标准偏差。观察到7之间函数的平均执行时间范围µ13.86秒,µ在所有测试秒。内核没有政策,我们观察到相同的长尾延迟先前行为概率分布具有相当大的标准差。在内核中,平均函数的执行时间从267.75开始µ秒Test1和收于1495.78µTest10秒。

5.3。数据包服务和下降率

因为延迟在主机与数据包服务和下降率密切相关,包服务和下降率以下小节中介绍。

5.3.1。传输层测试

由于增加了延迟在内核没有政策,它表现出减少数据包处理速度担任测试。如图8这个内核,服务的平均百分比回声请求拒绝不到总额的50% Test9和Test10回声请求。除了前面提到的,内核与政策保持稳定的服务速率等于回声请求到达率,这是符合延迟恒常性展出。

包下降率监控下的另一个方面的评估。丢失的数据包数量在每个测试,获得了网卡的驱动程序。这背后的原因下降,据NIC,其环缓冲区满,所以没有准备好为新包描述符。这表明,在测试期间,在一些点,网卡的数据包的到达率大于的内核初始化包描述符。这种行为是兼容以前的传输层延迟和数据包服务速率。

图9显示传输数据包的平均比例在对内核进行了测试。内核与政策保持不变的服务速率没有数据包在所有的测试,同时,在内核没有政策,数据包在测试服务速率降低,它经历了增加数据包的下降。丢失的数据包的平均百分比超过50%从Test7开始。图10用于阐明观察下降模式在一些测试内核没有政策。画测试被选为代表的例子,其他测试的模式类似。

5.3.2。网络层测试

网络测试的目标是闲置,没有服务速率监控,但只有率下降。图11显示传输数据包的平均比例在对内核进行了测试。丢失的数据包数量从网卡的驱动程序为每个测试。丢包的原因是full-ring缓冲区在前一节中。

这种行为预期是基于网络层的先前的措施延迟。如图,内核与政策没有数据包在所有测试,而内核没有政策表现出相同的丢包以前的行为。丢失的数据包的平均百分比超过25%从Test8开始。

图12用于渲染发现丢包模型在内核没有政策的一些测试。在Test9 Test10,目标注定了所有的数据包从四十秒,成为遥不可及的虽然不运行任何服务。绘制测试被选为代表的例子,其他测试的模式类似。

5.4。目标的系统分析

找出目标性能下降的主要原因,分析目标的若干层次的内核。结果如下。

5.4.1之前。传输层测试

下图给出了表示源负载,导致目标传输层的性能恶化,整个网络堆栈,特别是当目标内核没有政策。图13展示了这两个目标的平均比例加载内核,只有第一个第七测试。在以后的测试中,获得的测量没有作为目标遭受大规模调度问题,防止监控线程执行其工作。如图,目标有一个渐进的负载增加测试加工时使用内核没有政策。

在图14,第二个级别的目标的结果分析。产生的加载用户空间和司机被排除在外,因为它们的值都是稳定内核与政策边际而造成的负载测试和内核没有政策从Test3开始。如图14没有政策,内核源过载的目标,再一次,它已经越来越负载超过目标负载从Test6总数的90%。

目标的第三个层次分析的结果呈现在图15。这个数字没有出现负载引起的第二组(所有内核函数ILCC功能除外),因为它是无关紧要的。虽然第一组的负载功能没有超过3%的整个内核没有政策负载在基准测试中,这个比例持续增加是注意到在以后的测试中,从Test6,这个比例超过90%。

基于前面的结果,很明显,ILCC大小有显著影响传输层的性能,因此在所有的网络堆栈。试验台的影响很明显,导致内核没有政策的表现。此外,这些结果与结论相一致(15]。内核与政策成功地最小化有效地控制ILCC大小对性能的影响。

5.4.2。网络层测试

图16显示造成的负载ILCC功能都没有用户空间和内核驱动程序,作为他们的负载图的边缘,为了保持可读性。ILCC功能政策内核中保持一个稳定的负载级别总数的4.3%和5.6%之间内核加载整体测试,而ILCC函数在没有政策内核有一个增加负载水平测试进步。从Test3开始,这些函数加载代表整个内核总负荷的90%以上。因此,几乎所有目标的处理资源执行内核的任务,让没有房间服务任务,属于用户空间和网卡驱动程序。

从这些结果,很明显,虽然目标不运行任何服务,由于其采用新的记录在ILCC基于纯粹的网络层决定,而不是设置任何限制ILCC的增长,很容易受到DoS攻击,考虑在我们的情况下,攻击花了不到60秒。

基于前面的结果,很明显,内核与政策优于内核没有政策ILCC增长而言,延迟添加由内核网络堆栈在网络层,导致丢包,和开销从内核的功能,用于处理ILCC操作。

6。结论

在这部作品中,影响ILCC ILNPv6堆栈上详细研究了在不同网络堆栈层。我们进行绩效评估的两个ILNPv6原型实现和演示的方式处理不同类型的UDP流量。这些原型的一个关键差异是用于管理ILCC政策。第一个原型由圣安德鲁斯大学的介绍,而另一个是由我们。

评价,ILCC大小、延迟添加由内核网络堆栈在网络层和传输层,包服务和下降率和内核的功能,用于处理产生的开销ILCC操作测量。结果表明,圣安德鲁斯的原型经验控制ILCC增长作为其ILCC条目收养政策的正常结果。因此,此原型患有严重的性能下降的网络堆栈延迟、服务速率、下降率和系统负载。此外,主机运行这个原型DoS攻击是脆弱的,而我们的原型有效控制ILCC大小通过仔细ILCC决定采用何种条目,因此,它优于圣安德鲁斯的原型在所有测量方面。

此外,结果表明,引入政策是一种很有前途的新技术来提高延迟和性能为UDP流量超过ILNPv6 ILCC责任内通过避免不必要的延误。因此,我们建议调整这一政策在协议描述和不会离开ILCC管理作为工程考虑实现者。

然而,这是第一次工作,提出了一种综合性能评估我们的原型及其ILCC政策,和他们应该进一步研究各种场景和与其它传输层协议的集成。作为未来的工作,我们计划研究ILCC增长效应对传输控制协议(TCP)和基于主机的移动性。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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