利用DDP技術提升Tungsten Fabric vRouter性能

發布時間：2020-08-10 20:55:08 來源：ITPUB博客閱讀：218 作者：TF中文社區欄目：互聯網科技

在剛剛結束的“2020虛擬開發人員和測試論壇”上，來自瞻博網絡的工程師Kiran KN和同事，介紹了在Tungsten Fabric數據平面上完成的一組性能改進（由Intel DDP技術提供支持），以下為論壇技術分享的精華：

作為DPDK應用的vRouter

在深入到DDP技術之前，首先介紹一下vRouter，它是什么，以及在整個Tungsten Fabric框架中的位置。

實際上，vRouter可以部署在常規X86服務器上，也可以在OpenStack或K8s的計算節點當中。vRouter是主要的數據平面組件，有兩種部署的模式，分別是vRouter:kernel module，以及vRouter:DPDK模式。

利用DDP技術提升Tungsten Fabric vRouter性能

在用DPDK改善性能之前，此用例將涉及DPDK應用和vRouter。vRouter的職責是數據平面，用于數據包轉發和由vRouter代理在計算節點上編程的數據包轉發，但實際上，整個配置是通過控制器上的XMPP提供的。我們使用XMPP通過vRouter agent與控制器通信，并且有一個專門的接口來對vRouter數據平面進行編程以轉發軟件包。

在DPDK中，vRouter是一個高性能、多核和多線程的應用程序，這里想強調一下，它是專用于多核的DPDK應用，我們需要尋找多核的正確用法。

我們可以從示例中看到，網卡具有與vRouter相同數量的隊列，已為數據包或鏈接分配了核心。

首先，數據包需要由網卡平均地分配到所有路由器轉發核心。為此，使用了帶有5元組哈希的算法，在所有內核之間正確分配流量。而且，適當的負載平衡是基于數據包的，并且要實現該數據包需要具有5元組，多個源的目標端口IP地址。如果該協議正確，則該協議可以確定所有內核之間的流量平均分配，并且我們可以利用它分配給vRouter DPDK的所有內核的性能。盡管此流量包分布在各個處理內核上，但可以通過TX接口隊列，將它們適當地放置到虛擬機中。

如果此流量在各個內核之間沒有得到適當的平衡，則vRouter將在沒有內核的情況下進行重新平衡，但是對于內核來說，通過內核重新哈希化它們的代價很高，這意味著它們會消耗CPU周期并帶來額外的延遲。

這就是我們面臨的問題，但在今天得到了很大程度的解決，我們可以期待網卡能夠完成此任務，并適當地平衡vRouter核心之間的流量。

利用DDP技術提升Tungsten Fabric vRouter性能

也就是說，具有MPLSoGRE的計算類型沒有足夠的熵（entropy）。由于熵的存在，我們的報頭中沒有足夠的信息，或無法正確平衡數據包的負載。

具體來說，數據包應該具有完整的端口信息，包含完整的5個要素，即源IP、目標IP、源端口、目標端口和協議。但是在MPLSoGRE只有源IP、目標IP和協議三元組信息。因此，網卡無法適當地平衡數據包的負載，由于該CPU內核，一對計算節點之間的所有數據包都落在瓶頸中的同一區域，這將導致網卡隊列成為整個計算的瓶頸，并且性能受到影響。

例如，假設一對計算節點之間有數千個流（flows）。理想情況下，我們希望將流平衡分布在所有的內核上，以便可以由不同的CPU將其拾取，以進行數據包處理。但是對于MPLSoGRE，已知端口的信息沒有足夠的熵，來自特定計算節點的所有數據包都會發生，即使有很多流量，網卡也不會將它們分發到所有隊列。因此，這里不再像我們所知道的那樣，實際上數據包不會像這樣分散在多個內核中，它只會分配給一個內核。

因此，盡管有很多CPU內核，但由于所有數據包必須經過C1，C1本質上成為了瓶頸。數據包無法直接流經C2、C3、C4，是因為它們沒有在硬件上加載，所有其它內核必須從C1獲取數據包，顯然C1將會過載。

引入DDP消除瓶頸

我們為Tungsten Fabric數據平面引入了一項新功能，該功能消除了MPLSoGRE數據包的瓶頸，使得性能與CPU內核數成正比。這意味著沒有單個CPU內核會成為瓶頸，并且網卡硬件將數據包平均分配給所有CPU內核。

我們的解決方案由Intel DDP（dynamic device personalization）技術提供支持，使用以太網700系列的產品來提供。英特爾轉向可編程管線模型后，確保它們引入了諸如固件可升級之類的功能，DDP允許在運行時動態重新配置網卡中的數據包處理管道，而無需重啟服務器。軟件可以將自定義配置文件應用到網卡，我們可以將這些配置文件視為附件，可以由最終用戶自己構建。這些配置文件可以通過軟件刷新到網卡上，以便它們可以開始在線識別和分類新的數據包類型，并將這些數據包分配到不同的Rx隊列。

這是MPLSoGRE實施的情況，首先是這是一個沒有DDP提取功能的MPLSoGRE數據包，它沒有獲得在當前數據包中聽到的內部實際存在的啟動信息，因此它沒有足夠的信息來正確分配數據包。在第二個圖例中啟用了DDP，配置文件便可以開始識別內部數據包標頭，以及內部IP標頭和內部UDP標頭，因此它可以開始使用該信息來計算哈希。

如何使DDP成為最終用戶需要為其數據包類型創建配置文件的方式？

可以通過使用Intel的配置文件編輯器（profile editor）工具來創建，Intel在其上發布了一些標準配置文件，可以直接從Intel網站下載。配置文件編輯器可用于創建新條目，或者修改分析器的現有條目，這是第1步。第2步，為MPLSoGRE數據包創建一個新的配置文件，該配置文件在不同的層上定義數據包頭的結構。第3步，是編譯并創建一個二進制程序包，可以應用于網卡。第4步，我們可以使用DPDK API在每個工具接口將這些配置文件加載到網卡。接下來第5步，網卡就能夠識別MPLSoGRE數據包。

利用DDP技術提升Tungsten Fabric vRouter性能

對性能提升的測試及確認

接下來，我們需要測試并確認，DDP可以提供幫助帶來性能提升。

首先，我們的測試框架廣泛用于開發和測試vRouter。我們使用代理方式以擁有快速概念驗證的能力，并收集信息。測試vRouter性能的所有方法，包括封裝和計算節點之間的封裝，并且總是會包含overlay網絡，就像在圖例中的所看到的那樣，我們通過第三個對象（rapid jump VM），該對象只有控制流量（不通過其它任何流量），向VM發送指令并收集信息。為了實現測試目標，我們采用丟包率只有0.001％的二進制搜索，使用標準的測試框架和規范。

在vRouter中，我們可以找到腳本，顯示每個內核CPU數據包處理的統計信息，以證明網卡正確地集中了所有內核之間的流量。這些統計信息來自VM0接口，這意味著連接與物理網卡之間的接口。

在左側，你可以看到內核1沒有在處理軟件包，這實際上意味著該內核未接收到任何由vRouter處理的軟件包。此內核只是忙于輪詢程序包，并在vRouter上的其它可用內核之間分配程序包。這意味著vRouter將成為瓶頸，因為首先需要將所有進入vRouter的流量從網卡隊列中拉出，然后將其進行重新分配（跨其它核心）以轉發到VM。

而在右側，你可以看到使用DDP的網卡已經正確分配了流量，Rx隊列中所有內核之間的流量幾乎相等。證明網卡完成了自己工作，并平均分配了流量。

可以看到，是否使用DDP，在性能結果中統計數據上的差別。在不大于3個內核的情況下，使用DDP并沒有得到任何好處——因為對于輪詢內核和跨內核重新分配流量，目前網卡處理這樣的隊列還是足夠快的。

但是一旦增加內核數量，然后提高整體性能，那么網卡就成為了瓶頸——在沒有DDP的情況下性能不會提高，即使增加了內核數也是如此，因為總有一個內核在拉動流量，并且你可以看到，在沒有DDP的部分中6.5mpps左右是一個內核從網卡隊列中輪詢的最大值。

隨著內核的數量增加，每個內核都從網卡接收了相同數量的流量。一旦內核數量超過6個，則收益將變得更高。正如我們所看到的，具有6個內核的增益大約為73％，這確實是個很酷的數字。不僅可以提高性能，使用DDP還可以得到更好的降低延遲。這是因為我們不需要平衡內核之間的流量，也不需要計算每個數據包的哈希值。在vRouter上，這將由網卡完成，收益的增加平均為40％，最多為80％，這已經是非常棒的數字了。

綜上，對于擁有多個內核的用例，我們可以借助DDP技術獲得很大的收益。另外，對于5G用例而言，DDP能夠減少延遲這一點非常重要。在所有我們希望使用MPLSoGRE情況下，借助vRouter，我們已經準備好在多核中進行5G應用部署。

【本文相關資料pdf文檔下載】

https://tungstenfabric.org.cn/assets/uploads/files/tf-vrouter-performance-improvements.pdf

【 視頻鏈接 】

https://v.qq.com/x/page/j3108a4m1va.html

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