嵌入式網路通訊裝置評比技術與工具之研發---子計畫三：嵌入式網路通訊裝置核心與通訊行為效能評比技術與工具之研發

Abstract

本子計畫為期三年，計畫的主要研究目的是要發展一套嵌入式網路通訊裝置之網路核心 (kernel)與通訊協定(protocol)行為的測量、分析與評比平台，讓嵌入式網路通訊裝置研發人員 可以深入分析與評比網路核心和通訊協定的行為與效能，診斷網路通訊核心與應用程式的缺 失和瓶頸，縮短研發週期，進而提高嵌入式裝置研發人員的研究能量。 由於近年各式應用的嵌入式網路通訊裝置需求不斷增加，因而驅使業界及學術界皆投入 大量研究人力參與新產品的開發。就嵌入式網路通訊裝置的網路行為而言，除了基本的網路 存取(access)能力外，經常關心的會是傳輸的延遲(delay)、反應時間(response time)以及封包遺 漏(packet loss)等相關研究議題，所以如何縮短各類的延遲和反應時間以及減少封包遺漏是主 要研究重點。但是在目前，只有類似network sniffer 的通訊封包(packet)擷取工具，僅能協助 分析通訊協定行為，以及網路通訊系統整體的外顯(external)網路延遲、反應時間與封包遺 漏，對於網路通訊裝置系統內部的核心處理程序(kernel processes)的延遲以及所造成的封包遺 漏，卻無任何工具能協助界定發生的原因。 有鑑於此，我們在先前的研究計畫中，已經針對的網路通訊堆疊(protocol stack)的核心 系統行為做過分析，並且研發出一套方便有效的核心系統補釘嵌入(patching)技術，來紀錄核 心系統內部各個函式的執行順序與時間。使用這套補釘技術，可以紀錄網路在傳輸及接收封 包時各個函式之間進行的關連性與執行時間，藉由這些資訊，我們可以發展核心系統內部的 延遲診斷工具，然後進一步研發“整合核心系統與通訊行為”的延遲診斷工具。因此，本子計 畫預計整合我們先前的研發成果，針對核心事件做進一步的研究，以搭配現有的網路通訊封 包擷取工具，開發出一套整合核心系統與通訊行為的網路通訊裝置之評比工具。 本計劃有三個研究主題：(1)核心系統與通訊行為整合分析工具之研發、(2)核心函式嵌 入與事件擷取的補釘技術之研發及(3)核心系統與通訊行為整合測試與評比之基準化。第一個 研究主題是要分析網路核心系統與通訊協定行為，包含核心函式、事件與網路封包的分類與 整合分析，並且開發一套智慧型的診斷工具，以便研發者測量與分析網路通訊裝置之效能， 並進一步診斷核心系統或通訊行為的缺失與瓶頸。第二個研究主題是要研發核心函式補釘嵌 入與事件擷取之技術，以便擷取與紀錄核心事件。我們也預計將此補釘嵌入與事件擷取技術 工具化，以便研發者可自行嵌入擷取與紀錄的補釘。此外，我們也要進行補釘技術之改進與 優化，以因應後續核心系統的演進。第三個研究主題是要建立核心系統與通訊行為整合測試 與評比之基準，制定嵌入式網路通訊裝置測試的標準實施例以及評比基準。此外在整個計畫 執行過程我們會遵循開放原始碼的規範，落實開放原始碼化的目標。 上述三個主題將同時進行，規劃三年分三階段完成，各年度的目標為：第一年、核心函 式與事件擷取技術之研發與測試方法之設計，第二年、核心函式與事件擷取技術之工具化與分析工具之開發，第三年、診斷工具之開發與補釘嵌入之優化。計劃成果將包含核心事件擷 取與紀錄工具以及自動嵌入的補丁程式、通訊網路測試的標準實施例與評量基準和整合分析 與智慧型的診斷工具，為後續投入嵌入式裝置之研究者提供一套網路通訊系統的評量與發展 平台。

This three-year project aims to design and develop the benchmark and analyzing platform for the communication kernels and protocols of embedded networking and communication devices. With the platform, developers of embedded devices can analyze and evaluate the efficiencies of both kernel subsystem and communication protocols of embedded networking and communication devices. Furthermore, the platform also provides a diagnose tool that can help the developer to identify the bottleneck of a communication system. Due to the continuously increasing demands for various applications of embedded networking and communication devices, the industry and academic both have spent a great amount of research efforts on developing new and better embedded products. In order to develop a high efficient communication system for embedded networking and communication devices, we need to consider not only the basic network accessibility but also the critical performance metrics, such as transmission delay, response time, and packet loss of an embedded device. Therefore, how to reduce various delays, response times and packet losses on network becomes the major research issue in embedded system. Many network sniffer tools exist for researchers to intercept and analyze network packets. However, the current network sniffer tools can facilitate only the analysis of “external” networking behavior but not the effects of network kernel subsystem on communications. In other words, they merely intercept network packets for analysis but do not provide any vehicles for the analysis of kernel effects on communication. Therefore, we plan to design and develop a platform that can help researchers to investigate the integrated effects of both the internal behavior of a kernel subsystem and the external behavior of the protocol packet exchanges. In our previous research, we had analyzed the network protocol stack of kernel system and designed an efficient patching tool for recording the running time stamps of the kernel functions. There are three research issues in this project: (1) Measurement and analysis tools for the integrated evaluation of kernel subsystem and protocols, (2) Patching techniques for kernel function instrument and kernel event interception, and (3) Integrated benchmarking and metrics design for network kernel subsystem and protocols. We divide the research work of each of three issues into three year and set the goal for each year. The goals of the three years are: (1) Patching techniques for Kernel function instrument and event interception, and design of measurement schemes, (2) Design and implementation of kernel instrument library, and measurement and analysis tools, (3) Development of performance diagnosis tools, and optimization of patching techniques. In conclusion, we will develop kernel instrument and profiling tools, propose benchmarking for embedded networking and communication devices, and implement analysis and diagnosis tools for the integrated evaluation of network protocols and kernel subsystem.