基于GPU的域名快速解析技術(shù)研究與設(shè)計(jì)*

陳康先，陳文杰，康書芳，劉 霞/Chen Kangxian,Chen Wenjie,Kang Shufang,Liu Xia

（1.華南理工大學(xué) 廣州510640；2.廣州杰賽科技股份有限公司技術(shù)中心 廣州510310；3.廣州軍區(qū)空軍指揮自動(dòng)化工作站 廣州510071）

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能終端的數(shù)量呈爆發(fā)式增長，加速了IPv4 地址的枯竭，使人們對(duì)IPv6的期待日益迫切。為了保護(hù)既有的投資，實(shí)現(xiàn)從IPv4到IPv6的跨越還需要較長的過渡期。在過渡期內(nèi)，為保障IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互通，互通網(wǎng)關(guān)設(shè)備將會(huì)扮演非常重要的角色。

目前主流設(shè)備商普遍采用高速網(wǎng)絡(luò)處理器和高性能通用計(jì)算平臺(tái)組成硬件平臺(tái)，在高速網(wǎng)絡(luò)處理器上實(shí)現(xiàn)大吞吐量的IPv4 和IPv6網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，在高性能通用計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行IPv4、IPv6 互通協(xié)議和一些應(yīng)用網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理等功能的軟件，從而形成IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)高可用性和高效性，目前網(wǎng)關(guān)都采取多計(jì)算板的方式進(jìn)行冗余備份以及均衡負(fù)載設(shè)計(jì)。IPv4 和IPv6 互通網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如圖1所示。

IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)的DNS 服務(wù)器和普通的純IPv4 或IPv6 服務(wù)器不同，其需要在解析或者逆解析時(shí)對(duì)IP 地址進(jìn)行特殊處理，所以一般轉(zhuǎn)換協(xié)議的DNS服務(wù)器都會(huì)部署在網(wǎng)關(guān)上。目前IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)普遍采用單個(gè)或多個(gè)CPU 進(jìn)行計(jì)算，CPU的單計(jì)算能力雖然強(qiáng)大，但其同時(shí)支持的線程數(shù)不多，而IPv4/IPv6互通網(wǎng)關(guān)經(jīng)常有大流量并發(fā)的情況，所以一般IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)在部署轉(zhuǎn)換協(xié)議和其需要的DNS 服務(wù)器時(shí)，為了高效率地處理多用戶的并發(fā)情況，一般采用分布式部署（即轉(zhuǎn)換協(xié)議在一塊計(jì)算板上，其所需要的DNS 服務(wù)器在另外一塊計(jì)算板上）。如果要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的高可用性，則需要另外2 塊計(jì)算板作為轉(zhuǎn)換協(xié)議和DNS 服務(wù)器的備份，占用較多的硬件資源。

圖1 IPv4 和IPv6 互通網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

另外，IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)在過渡協(xié)議運(yùn)算過程中，需要進(jìn)行大量計(jì)算，如果是多用戶并發(fā)的情況下，需要同時(shí)耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，而通用CPU 采用的是串行計(jì)算方式，處理能力有限，導(dǎo)致同時(shí)支持的連接數(shù)量有限。當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備眾多，加上各類需要高數(shù)據(jù)流量的業(yè)務(wù)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)上通過的數(shù)據(jù)流量每年都在急劇增加，必然導(dǎo)致IPv4 和IPv6 互通網(wǎng)關(guān)需要進(jìn)行大量DNS 解析和轉(zhuǎn)換計(jì)算，在網(wǎng)關(guān)CPU 處理能力不足的情況下，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低服務(wù)質(zhì)量。

針對(duì)這些問題，本文基于GPU 資源及其并發(fā)運(yùn)算的能力，在保證轉(zhuǎn)換協(xié)議和DNS 解析協(xié)議性能的情況下，將原本需要2 塊計(jì)算板進(jìn)行的工作集合在一塊計(jì)算板上，降低了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的硬件成本，在同樣的硬件資源下，可以做更多冗余備份工作，提高設(shè)備的總體可用性。應(yīng)用GPU 在降低CPU的計(jì)算負(fù)載的同時(shí)，提高了IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)單片計(jì)算板的并發(fā)處理能力，可以更好地應(yīng)對(duì)并發(fā)數(shù)據(jù)。

2 域名快速解析技術(shù)設(shè)計(jì)

本文提出的解決方案可用于IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)或類似裝置中，該互通網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖1所示，其一端連接IPv4網(wǎng)絡(luò)，另一端連接IPv6網(wǎng)絡(luò)，IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)可以通過該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互通的功能。IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)或類似裝置主要是由高性能計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)構(gòu)成，硬件平臺(tái)上部署多塊高性能計(jì)算板，交換板主要用于內(nèi)部對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。

基于此，為解決現(xiàn)有的IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)DNS解析存在的問題，本文提出一種基于GPU的DNS 解析方法，利用GPU的并行運(yùn)算能力，在多用戶并發(fā)的情況下，通過GPU 進(jìn)行IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)的DNS 解析運(yùn)算。

在獲取DNS 查詢報(bào)文后，首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，生成GPU 可識(shí)別的DNS 查詢數(shù)據(jù)。然后將這些DNS查詢數(shù)據(jù)按并行隊(duì)列寫入CPU 與GPU的第一共享內(nèi)存中。通過GPU 從第一共享內(nèi)存中讀取DNS 查詢數(shù)據(jù)，并利用GPU 根據(jù)DNS 查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行DNS 解析，生成DNS 解析數(shù)據(jù)分組，將DNS 解析數(shù)據(jù)分組按并行隊(duì)列寫入CPU 與GPU的第二共享內(nèi)存中。最后，從第二共享內(nèi)存中讀取DNS 解析數(shù)據(jù)分組，合并處理DNS解析數(shù)據(jù)分組，重整為網(wǎng)絡(luò)格式數(shù)據(jù)并發(fā)送?？傮w框架與流程如圖2所示。

具體流程如下：

①網(wǎng)卡將接收到的報(bào)文放入網(wǎng)卡緩存隊(duì)列中，CPU 會(huì)從該緩存隊(duì)列中過濾出DNS 查詢報(bào)文，并放入DNS 報(bào)文接收隊(duì)列；

②將DNS 報(bào)文接收隊(duì)列中的報(bào)文取出并進(jìn)行預(yù)處理，將報(bào)文整理成GPU 可識(shí)別格式。因?yàn)榫W(wǎng)卡報(bào)文的數(shù)據(jù)都是一維的，為了提高GPU的運(yùn)算效率，GPU處理格式一般是多維格式，所以需要預(yù)先將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理成多維數(shù)據(jù)格式；

③將預(yù)處理完的報(bào)文放入并行隊(duì)列，等待寫入CPU 和GPU的共享內(nèi)存中，由于CPU 和GPU 在處理數(shù)據(jù)時(shí)的區(qū)別是單核CPU 采用串行的方式而GPU 采用多線程并行的方式，因此，為了充分利用GPU的優(yōu)勢(shì)，將需要處理的數(shù)據(jù)報(bào)文并行排列；

④將已經(jīng)預(yù)處理好的并行隊(duì)列統(tǒng)一寫入CPU 與GPU的共享內(nèi)存中，由于CPU 和GPU 數(shù)據(jù)交互部分在整個(gè)過程中會(huì)占用較多時(shí)間，所以會(huì)把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)填滿后才進(jìn)行寫入操作；

⑤CPU 將數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存后，就可以執(zhí)行其他任務(wù)，DNS 解析和轉(zhuǎn)換的工作則交由GPU 并行處理，可以有效地利用GPU 空閑資源并節(jié)省CPU 資源；

⑥GPU 獲取到共享內(nèi)存中的隊(duì)列信息后，并行對(duì)各隊(duì)列的DNS 進(jìn)行解析，已經(jīng)解析過的DNS 信息會(huì)預(yù)先保存在GPU 自身的內(nèi)存中，可以提高查詢效率；

圖2 總體框架與流程

⑦對(duì)于還未解析過的DNS 信息，則會(huì)詢問上一級(jí)DNS 進(jìn)行查詢，并將接收到的IPv4 地址根據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議的轉(zhuǎn)換規(guī)則生成對(duì)應(yīng)的IPv6 地址，并以一定格式保存在GPU的DNS 緩存中。以過渡協(xié)議中的Nat64 和百度域名為例，域名信息和IPv4、IPv6 地址對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1 所列。

表1 域名信息和IPv4、IPv6 地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

⑧將已經(jīng)處理完成的DNS 解析結(jié)果放入并行隊(duì)列中，并寫入CPU 和GPU的第二塊共享內(nèi)存中；

⑨CPU 在共享內(nèi)存中讀取已處理的結(jié)果，將GPU處理后的數(shù)據(jù)重整為網(wǎng)絡(luò)報(bào)文格式，合并隊(duì)列中的數(shù)據(jù)寫入待發(fā)送隊(duì)列；

⑩網(wǎng)卡接口讀取發(fā)送隊(duì)列中的信息，根據(jù)路由路徑將各數(shù)據(jù)分組通過物理網(wǎng)卡分發(fā)出去。

GPU 在進(jìn)行DNS 解析運(yùn)算時(shí)，優(yōu)先在自身GPU內(nèi)存中的DNS 列表中進(jìn)行查詢，若查詢到對(duì)應(yīng)的DNS信息，直接生成解析結(jié)果；若未查詢到對(duì)應(yīng)的DNS 信息時(shí)，則訪問上一級(jí)的DNS 服務(wù)器，在上一級(jí)服務(wù)器中獲取DNS 信息，由該DNS 信息生成DNS 解析數(shù)據(jù)分組。DNS 信息通常保存在GPU 內(nèi)存的DNS 列表中，以方便下一次解析運(yùn)算。

GPU 處理流程如圖3所示。

①判斷DNS 請(qǐng)求的類型（如A、AAAA、PTR 等），A表示IPv4 正向解析，即由域名查詢IPv4 地址；AAAA表示IPv6 正向解析，即由域名查詢IPv6 地址；PTR 為方向解析請(qǐng)求。

②判斷DNS 請(qǐng)求是正向解析還是反向解析，然后根據(jù)域名或者IP 地址對(duì)GPU中已有緩存DNS 進(jìn)行查詢。

③如果在緩存中沒有查詢到DNS 記錄，則向上一級(jí)DNS 進(jìn)行請(qǐng)求并將獲取到的DNS 根據(jù)過渡協(xié)議的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并保存到緩存中。如NAT64中的DNS規(guī)則為前綴為2001:da8:ff::/96，則將180.97.33.67 轉(zhuǎn)換為2001:da8:ff::b461:2143。

④根據(jù)類型返回相應(yīng)的處理結(jié)果，并將處理完的數(shù)據(jù)分組放入并行隊(duì)列中。

⑤等隊(duì)列緩沖區(qū)滿后，將處理后的信息寫入共享內(nèi)存中。

3 結(jié)束語

IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)上的GPU 資源，通過GPU 編程接口將網(wǎng)關(guān)或類似裝置的DNS 放置到GPU 上運(yùn)行，因?yàn)镚PU 采用的是多線程并行處理的方式，這些方法可以提高IPv4/IPv6 互通網(wǎng)關(guān)在應(yīng)對(duì)多用戶并發(fā)時(shí)的處理能力。

同時(shí)，利用了GPU 自身的內(nèi)存資源（顯示內(nèi)存），將DNS 列表放置在顯示內(nèi)存中，在不影響計(jì)算機(jī)CPU所占用內(nèi)存的情況下提高DNS的查詢速度。在保證轉(zhuǎn)換協(xié)議和DNS 解析協(xié)議性能的情況下，將原本需要2 塊計(jì)算板進(jìn)行的工作集合在一塊計(jì)算板上，降低了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的硬件成本，在同樣硬件資源的條件下可以做更多冗余備份工作，進(jìn)而提高設(shè)備的總體可用性。

圖3 GPU 處理流程

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