理解基于Linux内核的WiFi接入点数据包交换机制

《IEEE Transactions on Network and Service Management》：Understanding Linux Kernel-Based Packet Switching on WiFi Access Points

分析WiFi接入点（AP）基于Linux内核的数据平面，揭示以太网与WiFi接口间报文交换的潜在问题及性能差异。研究发现系统统计存在统计偏差，需结合驱动实现和报文交换路径优化，并指出正向和反向交换路径在处理组件、多核利用率及能效上的显著差异。

　　

摘要：

随着WiFi设备数量及其数据流需求的持续增长，对可扩展且高性能的无线基础设施的需求变得越来越迫切。在这一基础设施中，WiFi接入点（AP）起着核心作用，它们负责在以太网和WiFi接口之间进行数据包交换。尽管AP依赖Linux内核的数据平面来执行数据包交换，但现有研究中尚未详细探讨以太网和WiFi接口之间数据包交换的具体操作及其复杂性。本文旨在填补这一研究空白。通过对实证实验的宏观和微观分析，我们的研究揭示了两个方面的见解：首先，虽然内核提供的统计数据对系统运行有重要参考价值，但我们指出了可能严重影响系统分析的潜在问题。例如，我们发现了数据包交换速率和驱动程序实现方式如何影响与数据包交换任务及处理器利用率相关的统计数据的准确性和解释性；其次，我们分析了数据包交换路径和核心配置对性能和功耗的影响，具体关注了以太网到WiFi以及WiFi到以太网数据路径在处理组件、多核利用率和能效方面的差异。

引言

新应用和服务的出现，尤其是涉及高清流媒体、边缘计算和云计算的应用，以及日益复杂的物联网（IoT）设备，要求WiFi技术在速率、可靠性和可扩展性方面得到提升[1]。随着对速度和效率需求的增加，WiFi接入点（AP）的数量也在显著增长，这些AP主要负责在其以太网和WiFi网卡（NIC）之间实现数据包交换。据统计，仅千兆AP市场预计在2024年至2034年间将以约32.3%的复合年增长率增长[2]。这一增长趋势反映了互联网连接范围的不断扩大，以及对各种环境中高速可靠覆盖的需求。