DPDK在國產(chǎn)申威處理器平臺上的應(yīng)用與研究

明 旭 何慧文 陳 磊

(北京中科網(wǎng)威信息技術(shù)有限公司 北京 100094)(mingx@netpower.com.cn)

1 申威處理器與DPDK

處理器不自主，整個信息產(chǎn)業(yè)就是建筑在沙灘上的城堡.發(fā)展真正自主可控的處理器，對中國這樣一個正在崛起的大國而言，不僅意味著可以擁有更加安全可靠的信息基礎(chǔ)設(shè)施，更意味著在信息經(jīng)濟(jì)時代掌控著事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)安全的重大技術(shù)話語權(quán).

申威處理器是經(jīng)過10多年的磨礪，凝結(jié)了無數(shù)科研人員的心血，獨立自主發(fā)展起來的國產(chǎn)處理器.10多年來，申威處理器從無到有，核心微結(jié)構(gòu)持續(xù)升級，生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)，先后研發(fā)了core1,core2,core2a,core3這4代處理器微結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝也從最早的0.13 μm提高到了現(xiàn)在的28 nm.全部采用申威26010眾核處理器的“太湖之光”超級計算機(jī)，這2年來大放異彩，連續(xù)4次登頂世界超算TOP500，在“太湖之光”上運行的應(yīng)用更是史無前例地連續(xù)2年獲得戈登貝爾獎[1].申威處理器在超算領(lǐng)域取得的巨大成就說明，和10多年前相比，申威處理器的性能、穩(wěn)定性都實現(xiàn)了跨越式的提升，已經(jīng)初步具備與當(dāng)今國際先進(jìn)處理器相抗衡的能力[2].

在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，圍繞申威多核處理器的自主可控安全生態(tài)從無到有，日漸發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)初具規(guī)模，已經(jīng)有十幾家公司采用申威處理器推出了防火墻、網(wǎng)閘、入侵檢測、漏洞掃描、數(shù)據(jù)庫審計等各類網(wǎng)安產(chǎn)品[3].但這些產(chǎn)品與采用X86處理器的同類產(chǎn)品相比還是存在一些差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的性能上，其中的主要原因有2點：1)申威處理器單核性能與X86處理器相比還有50%左右的差距；2)X86等處理器的生態(tài)，經(jīng)過幾十年發(fā)展，通過不斷的嘗試和探索，在與網(wǎng)安產(chǎn)品密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理技術(shù)方面，發(fā)展出了一系列較為成熟、高效的模型和框架，如：新浪的fastsocket，PowerPC的DPAA，Intel的DPDK.

1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理框架與DPDK

在多核多線程處理器平臺上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理，使用傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核協(xié)議棧會存在嚴(yán)重的性能瓶頸.對于如何提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理的性能，業(yè)界有著比較統(tǒng)一的認(rèn)識和建議：

1) 盡量不要讓不同的線程訪問臨界資源，因為互斥上鎖會降低系統(tǒng)的執(zhí)行效率；理想情況是讓每個線程只訪問自己的資源和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

2) 線程數(shù)能少則少，因為線程在各個CPU核心上的調(diào)度會造成一定的切換開銷，并且造成Cache命中率的降低.

3) 優(yōu)化數(shù)據(jù)包的進(jìn)出路徑，盡可能減少數(shù)據(jù)的拷貝，特別是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的數(shù)據(jù)拷貝.

在具體實踐中，綜合上述建議，有2個主要的優(yōu)化策略可供選擇：1)依照上述建議不斷優(yōu)化Linux內(nèi)核協(xié)議棧[3]，代表項目如新浪的FastSocket.FastSocket對協(xié)議棧的優(yōu)化主要體現(xiàn)在單核處理性能的提升，相比傳統(tǒng)協(xié)議棧能夠提升20%～45%的性能；另外，在多核性能優(yōu)化上也有著一定的性能提升.2)采用全新的架構(gòu)設(shè)計，使數(shù)據(jù)處理的路徑繞過內(nèi)核協(xié)議棧，代表項目如Intel的DPDK.

DPDK(Intel data plane development kit)是Intel提供的數(shù)據(jù)平面開發(fā)工具集[4]，為IA(Intel architecture)處理器架構(gòu)下用戶空間高效的數(shù)據(jù)包處理提供庫函數(shù)和驅(qū)動的支持.不同于Linux系統(tǒng)以通用性設(shè)計為目的，DPDK專注于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理，針對X86處理器和網(wǎng)卡作了一系列的深度優(yōu)化，從而提升數(shù)據(jù)包吞吐量[5].

DPDK不使用原有的內(nèi)核協(xié)議棧，所有的應(yīng)用需要使用DPDK提供的函數(shù)進(jìn)行重新開發(fā).但與使用內(nèi)核協(xié)議棧相比，DPDK的優(yōu)勢除了減少中斷次數(shù)和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)外，還使得相關(guān)應(yīng)用獲得了協(xié)議棧的控制權(quán)，能夠通過定制降低協(xié)議棧復(fù)雜度.理論上，使用DPDK方案，應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理性能可以達(dá)到采用傳統(tǒng)Linux協(xié)議棧方案10倍以上.

1.2 DPDK應(yīng)用在申威處理器平臺的意義

在處理器微架構(gòu)設(shè)計上，國產(chǎn)申威處理器與國際主流商用處理器已經(jīng)基本保持了一致, 如超標(biāo)量、亂序執(zhí)行、大容量Cache、雙訪存流水線等.而且由于申威處理器采用的指令集架構(gòu)自身的特點，相比采用CISC架構(gòu)的X86處理器，可以高效集成更多的處理器核心；但由于生產(chǎn)工藝相對不高，特別是處理器的訪存能力仍需進(jìn)一步提升，使得申威處理器的單核性能仍存在相當(dāng)?shù)牟罹?

DPDK的出現(xiàn)給國產(chǎn)申威處理器在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上揚長避短帶來了重大機(jī)會.首先，DPDK使用大頁緩存技術(shù)、內(nèi)存池和無鎖環(huán)形緩存管理等技術(shù)來提高內(nèi)存訪問效率；同時，利用PMD支持，提供應(yīng)用空間下驅(qū)動程序的支持，減少了報文的內(nèi)存間拷貝.這些技術(shù)都使得申威處理器訪存能力不足的問題得到了相當(dāng)程度的彌補.另外，DPDK廣泛采用處理器核親和技術(shù)，把各項處理作業(yè)分配到特定的處理器核上分別處理，從而發(fā)揮各個處理器核的潛能.這又使得申威處理器核多的優(yōu)勢得到較為充分地發(fā)揮.

結(jié)合申威處理器的自身特點，將DPDK高效地移植到申威處理器平臺上，可以大幅提高申威處理器平臺的網(wǎng)絡(luò)處理能力，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理方面進(jìn)一步縮小和X86等處理器之間的差距，可以為在申威處理器平臺上實現(xiàn)多種高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供有效的技術(shù)支撐,從而拓寬國產(chǎn)申威處理器在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、存儲設(shè)備、高性能服務(wù)器等產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也可以為DPDK向其他自主國產(chǎn)處理器上的移植提供有價值的參考.

2 DPDK概覽

從字面解釋上看，DPDK是專注于數(shù)據(jù)平面軟件開發(fā)的套件；本質(zhì)上，它是一組可以從用戶空間調(diào)用的軟件庫，提供了一種開銷更小的方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Linux系統(tǒng)調(diào)用，使得應(yīng)用程序可以繞過內(nèi)核直接和底層硬件交互.

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包不再通過內(nèi)核，而是直接走DPDK的專有路徑，從網(wǎng)卡直接到達(dá)用戶空間，交由用戶處理，從而將繁重的數(shù)據(jù)包過濾、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)工作從內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)至用戶態(tài).

另外，DPDK實現(xiàn)了多核“無鎖”并行結(jié)構(gòu)，使多處理器核心可以高效并行工作，并充分發(fā)揮速度越來越快的IO接口的能力，從而最大限度上提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理效率.

使用DPDK，將不能再用原來的Linux內(nèi)核協(xié)議棧，而且所有的應(yīng)用都需要基于DPDK提供的函數(shù)庫進(jìn)行重構(gòu).但由于網(wǎng)卡等設(shè)備的驅(qū)動程序都運行在用戶層，不容易崩潰，調(diào)試方便，可以大幅降低高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理程序開發(fā)、調(diào)試的難度[6].

2.1 DPDK架構(gòu)

從總體架構(gòu)圖(圖1)我們可以看出，DPDK將全部功能都從內(nèi)核態(tài)搬到了用戶態(tài)[7].

1) EAL(environment abstraction layer)即環(huán)境抽象層，為應(yīng)用提供了一個通用接口，隱藏了與底層庫與設(shè)備打交道的相關(guān)細(xì)節(jié).EAL實現(xiàn)了DPDK運行的初始化工作，包括基于大頁表的內(nèi)存分配、多核親和性設(shè)置、原子操作和鎖操作，將PCI設(shè)備地址映射到用戶空間，方便應(yīng)用程序訪問.

2) Buffer Manager API通過預(yù)先從EAL上分配固定大小的多個內(nèi)存對象，避免了在運行過程中動態(tài)進(jìn)行內(nèi)存分配和回收來提高效率，常常用作數(shù)據(jù)包緩沖來使用.

3) Queue Manager API以高效的方式實現(xiàn)了無鎖的FIFO環(huán)形隊列，適合與一個生產(chǎn)者多個消費者、一個消費者多個生產(chǎn)者模型來避免等待，并且支持批量無鎖的操作.

4) Flow Classification API通過Intel SSE基于多元組實現(xiàn)了高效的hash算法，以便快速地將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類處理.該API一般用于路由查找過程中的最長前綴匹配，應(yīng)用中根據(jù)Flow五元組來標(biāo)記不同用戶的場景也可以使用.

5) PMD則實現(xiàn)了Intel 1GbE，10GbE和40GbE網(wǎng)卡下基于輪詢收發(fā)包的工作模式，大大加速網(wǎng)卡收發(fā)包性能.

圖1 DPDK總體架構(gòu)圖

2.2 DPDK關(guān)鍵技術(shù)

DPDK之所以可以提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力，在于它從驅(qū)動、內(nèi)存、線程、Cache等各個方面所做的綜合性的深度優(yōu)化，這些優(yōu)化主要包括：

1) 使用大頁內(nèi)存，降低Cache miss，提高命中率，進(jìn)而提升處理器訪問內(nèi)存的速度；

2) 使用PMD技術(shù)，將報文直接拷貝到用戶態(tài)進(jìn)行處理；

3) 通過CPU親和性綁定網(wǎng)卡和線程到固定的CPU核，減少處理器核間任務(wù)切換的開銷；

4) 使用無鎖隊列，減少資源競爭.

下面簡要介紹DPDK的這幾項關(guān)鍵技術(shù)[8]：

1) 使用大頁內(nèi)存(hugepage)提高內(nèi)存訪問效率.

TLB(translation look-side buffer) Cache是CPU中單獨的一塊高速緩存，為了實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，Linux首先要查找TLB Cache來進(jìn)行快速映射.如果在查找時TLB沒有命中，就會觸發(fā)一次缺頁中斷，處理器就需要到內(nèi)存中去訪問多級頁表，才能最終得到物理地址，從而導(dǎo)致極大的處理器開銷.

Linux默認(rèn)頁大小為4 KB，在程序使用大內(nèi)存時，需要大量的頁表表項才能保證不出現(xiàn)TLB不命中的情況.而TLB Cache的大小是很有限的，一般只能容納100條頁表表項，只有使用hugepage才能確保TLB Cache的全命中.

為此，DPDK缺省提供了2 MB和1 GB這2種方式的hugepage支持.測試表明使用大頁表比使用4 KB的頁表性能提高10%～15%

2) 使用PMD(poll mode drivers)，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理工作全部遷移到用戶態(tài)，并以全輪詢的模式進(jìn)行處理.

NAPI明顯改善了傳統(tǒng)Linux系統(tǒng)的包處理能力，但由于收發(fā)包仍然以系統(tǒng)中斷為基礎(chǔ)，首先是從中斷發(fā)生到應(yīng)用感知，還要經(jīng)過很長的軟件處理路徑；另外，數(shù)據(jù)包在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的拷貝也難以避免.總之，對內(nèi)核協(xié)議棧進(jìn)行改良的NAPI等機(jī)制還是不能充分發(fā)揮底層硬件的能力，不能真正釋放出其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理的能力.

DPDK針對Intel網(wǎng)卡實現(xiàn)了基于全輪詢方式的PMD驅(qū)動，該驅(qū)動由API、用戶空間運行的驅(qū)動程序構(gòu)成，使用無中斷方式直接操作網(wǎng)卡的接收和發(fā)送隊列.PMD驅(qū)動從網(wǎng)卡上接收到數(shù)據(jù)包后，會直接通過DMA方式傳輸?shù)筋A(yù)分配的內(nèi)存中，同時更新無鎖環(huán)形隊列中的數(shù)據(jù)包指針，不斷輪詢的應(yīng)用程序很快就能感知收到數(shù)據(jù)包，并在預(yù)分配的內(nèi)存地址上直接處理數(shù)據(jù)包，這個過程非常簡潔.

另外，由于整個處理過程都在用戶空間完成，自然規(guī)避了報文在核心態(tài)和用戶態(tài)之間的拷貝[9].

目前PMD驅(qū)動支持Intel的大部分1 G,10 G和40 G的網(wǎng)卡.

3) 利用Linux親和性支持，避免線程在不同核間的切換.

在單個處理器核上，多線程可以提高各應(yīng)用的并發(fā)運行程度，從而提高CPU的整體利用率；但線程的創(chuàng)建和銷毀都有開銷，還會引入上下文切換、訪存沖突、Cache失效等諸多消耗性能的因素.在CPU多核時代，可以通過仔細(xì)規(guī)劃線程在CPU不同核上的分布，達(dá)到既保持應(yīng)用的高速并發(fā)運行，又減少線程切換開銷的目的[10].

DPDK就利用了Linux線程的CPU親和性，將特定任務(wù)綁定到只在某個CPU核上運行，從而避免線程在不同核間的頻繁切換，減少Cache miss和Cache write back等性能損失.

DPDK運行在用戶態(tài)，但線程的調(diào)度仍然依賴內(nèi)核.作為更進(jìn)一步的優(yōu)化，DPDK使用了限定某些核不參與Linux系統(tǒng)調(diào)度的技術(shù)手段，使特定的任務(wù)線程(如網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包線程)可以獨占CPU核.這對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的全輪詢處理起到了重要的支撐作用.

4) 提供無鎖環(huán)形緩沖區(qū)管理和緩存池，提高內(nèi)存訪問效率.

當(dāng)前的多核處理器特別是服務(wù)器處理器通常提供4個、8個甚至更多的CPU核，在諸多高并發(fā)應(yīng)用中，多個CPU核之間訪問內(nèi)存等資源時產(chǎn)生的鎖競爭有時會比數(shù)據(jù)拷貝、上下文切換更加傷害系統(tǒng)的性能.因此，在多核環(huán)境下，如果能夠把重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從鎖的保護(hù)下遷移到無鎖機(jī)制中，可以極大地提升應(yīng)用軟件的性能.

DPDK基于無鎖環(huán)形緩沖的原理，實現(xiàn)了一套無鎖環(huán)形緩沖區(qū)隊列管理API，支持單生產(chǎn)者入列單生產(chǎn)者出列、多生產(chǎn)者入列多生產(chǎn)者出列的操作，很大程度上提高了內(nèi)存訪問的效率[11].

另外，DPDK提供的緩存池，可以將多個收發(fā)包集中到一個Cache line，進(jìn)一步提升了Cache利用率.

3 DPDK移植申威處器平臺難點要點分析

DPDK是Intel專門為X86處理器定制的，將DPDK移植到申威處理器平臺上肯定會面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn).為此，我們對申威處理器及其指令集以及DPDK本身都進(jìn)行了較為深入的技術(shù)預(yù)研，從而在移植可行性、移植難度、所需資源上給后續(xù)的工程化研制提供評估基礎(chǔ).

本節(jié)首先介紹我們在先期研究中發(fā)現(xiàn)的移植上可能存在的一些技術(shù)難點，然后介紹我們應(yīng)對這些難點的策略，最后，介紹我們在預(yù)研中總結(jié)出的，基于國產(chǎn)申威處理器進(jìn)行高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理功能(包括但不限于DPDK)的研發(fā)的一些要點，希望能讓在國產(chǎn)申威處理器上研發(fā)各類網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的同行有所借鑒.

第4節(jié)將介紹我們基于SW411硬件平臺，初步移植DPDK并搭建的防火墻原型機(jī)，主要用于驗證在類似DPDK的全用戶態(tài)輪詢模式下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)系統(tǒng)的性能是否會有質(zhì)的提升，從而為使用基于非X86架構(gòu)的國產(chǎn)處理器研發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品提供一定的實踐支撐.

3.1 移植難點

通過預(yù)研，我們認(rèn)為將DPDK移植到申威平臺上的技術(shù)難點主要有3個：

1) DPDK無協(xié)議棧

DPDK不能再使用原有的內(nèi)核協(xié)議棧，相關(guān)功能都需要依照DPDK提供的函數(shù)庫進(jìn)行重構(gòu)開發(fā).理論上，需要在用戶態(tài)實現(xiàn)Linux內(nèi)核協(xié)議棧的大部分功能，這可能會導(dǎo)致所需的時間成本和人力成本難以接受[12].

2) 申威沒有專門的CAS指令

在X86處理器上運行的DPDK大量使用CAS(compare and swap)指令，為在多核間實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)同步發(fā)揮了極其重要的作用.基于RISC架構(gòu)的申威自主指令集采用的是LoadStore型指令系統(tǒng)，沒有專門的CAS指令.這為移植工作帶來了很大的麻煩和風(fēng)險.

3) 申威SIMD支持與Intel SIMD指令集不完全兼容

SIMD(Single Instruction Multiple Data)意為單指令多數(shù)據(jù)[13]，以特定寬度(如64 b)為一個數(shù)據(jù)單元，多數(shù)據(jù)指的就是多個可以獨立操作的數(shù)據(jù)單元，SIMD指的就是單個指令可以同時作用到多個數(shù)據(jù)單元.

實現(xiàn)SIMD需要處理器硬件的支持，處理器需要集成專門的SIMD寄存器.Intel處理器提供了128 b的XMM寄存器或者256 b的YMM寄存器,也稱為SIMD擴(kuò)展部件.

申威處理器也提供SIMD支持，但申威指令集中的SIMD指令與Intel的SIMD指令對應(yīng)性不強，移植中有大量相關(guān)代碼需要手工修改，對移植工作是一個重大挑戰(zhàn).

3.2 難點解決策略

針對預(yù)研中發(fā)現(xiàn)的幾個難點，我們結(jié)合以往的研發(fā)經(jīng)驗，反復(fù)嘗試，基本都找到了比較滿意的解決途徑.

1) 構(gòu)建“慢速路徑+快速路徑”的處理構(gòu)架

針對DPDK無協(xié)議棧的問題，通用解決辦法一般有2種：1)自己開發(fā);2)使用開源協(xié)議棧與DPDK適配.自己開發(fā)工作量太大，而我們評估了幾個開源協(xié)議棧，其成熟度和穩(wěn)定性都和Linux協(xié)議棧相去甚遠(yuǎn)，而且適配的工作量也不小.

為此，我們結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理的特點，設(shè)計了一個穩(wěn)定、高效的框架，其基本原理在于：路由的確定、過濾規(guī)則的匹配在一個會話流的第1個數(shù)據(jù)包就可以決定[14].因此，可以基于DPDK構(gòu)建一個“慢速路徑+快速路徑”的處理框架，在網(wǎng)絡(luò)會話的建立、撤銷等階段，仍將數(shù)據(jù)包交由Linux內(nèi)核協(xié)議棧處理；會話成功建立后的后續(xù)數(shù)據(jù)包直接交由基于DPDK的上層應(yīng)用處理.這樣，只有極少量的數(shù)據(jù)包在“耗時”的慢速路徑上流轉(zhuǎn)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)包將通過在快速路徑上建立的流表快速轉(zhuǎn)發(fā).

其原理圖如圖2所示：

圖2 DPDK+Linux協(xié)議棧的快速、慢速處理結(jié)構(gòu)

構(gòu)建“慢速路徑+快速路徑”的處理構(gòu)架的主要難點在于，要在用戶態(tài)下實現(xiàn)與內(nèi)核協(xié)議棧相匹配的、用于會話控制、會話狀態(tài)記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并讓相關(guān)的會話記錄和會話狀態(tài)的改變保持實時的同步.另外,對于數(shù)據(jù)包7層以上協(xié)議數(shù)據(jù)的分析，要盡量保證在會話流起始的一個或者幾個數(shù)據(jù)包中完成判斷[15].

2) 高效模擬CAS指令

在申威指令集不提供CAS指令的情況下，用申威指令模擬實現(xiàn)一個功能完全一致的CAS函數(shù)，可以最大程度上減少代碼移植的工作量.

在實際移植工作中我們反復(fù)實驗，最終確定了用11條申威匯編指令組成的最優(yōu)CAS模擬，經(jīng)過實際測試，效果令人滿意，不但功能滿足要求，性能表現(xiàn)也足夠優(yōu)異.

3) 封裝申威SIMD

SIMD技術(shù)廣泛應(yīng)用于通用處理器，為提升程序性能提供了硬件支持.實際工程經(jīng)驗顯示，如能充分發(fā)掘程序中的并行性，進(jìn)行基于SIMD的優(yōu)化，可以使應(yīng)用的性能得到50%～70%的提升.DPDK中就大量使用了SIMD進(jìn)行各類并行化數(shù)據(jù)處理.

申威指令集也提供了對SIMD的支持，而且出于超算的需要，技術(shù)上成熟、高效——通過使用申威的SIMD擴(kuò)展指令系統(tǒng)，可以完成256 b的8倍字整數(shù)數(shù)據(jù)的單指令存取，將8～64 b的待運算數(shù)據(jù)合并為一個256 b的超長數(shù)據(jù)，然后使用一條指令完成傳統(tǒng)多條指令才能完成的運算.

但申威指令集與Intel的SIMD指令集對應(yīng)性不強，移植中有大量相關(guān)代碼需要手工修改，如不采取相關(guān)技術(shù)手段會導(dǎo)致移植工作繁瑣雜亂，并且給代碼以后的升級維護(hù)造成障礙.

我們?nèi)匀徊捎昧撕湍MCAS指令相類似的技術(shù)手段，通過一系列細(xì)致的分析和編程工作，對申威SIMD指令進(jìn)行了較為徹底的封裝，使DPDK的代碼無需任何修改即可直接在申威處理器上運行，讓程序員從繁冗復(fù)雜的移植編碼工作中解脫出來，提高了移植工作的效率，并使得整個移植后的系統(tǒng)具備了較為良好的可擴(kuò)展性.

3.3 技術(shù)要點

DPDK的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的“最優(yōu)工程實踐經(jīng)驗”的總結(jié)，在移植工作中只知道照搬照抄是很難體會其思想內(nèi)涵的.在本節(jié)內(nèi)容中，我們嘗試不局限于DPDK，總結(jié)了幾點我們對基于國產(chǎn)申威處理器進(jìn)行高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理功能研發(fā)的一些“實踐經(jīng)驗”，希望能讓在國產(chǎn)申威處理器上研發(fā)各類網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的同行有所借鑒.

1) 網(wǎng)卡的多隊列機(jī)制和申威CPU多核的緊密結(jié)合

當(dāng)前主流的千兆、萬兆網(wǎng)卡芯片都提供了內(nèi)置的負(fù)載均衡算法，能夠?qū)⒏咚俚木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流分為多個數(shù)據(jù)隊列，這些數(shù)據(jù)隊列以內(nèi)存硬件通道的形式展現(xiàn)在CPU的面前，CPU可以讓自己不同的核去訪問不同的通道，核之間對隊列的數(shù)據(jù)讀寫不會相互影響[16].

申威處理器相比X86處理器，可以高效集成更多的處理器核心，配以網(wǎng)卡的多隊列機(jī)制，理論上可以獲得更高的并發(fā)處理能力.

但是，如果對PCI-E總線的訪問不能做到高效，會導(dǎo)致并行數(shù)據(jù)流處理帶來的性能優(yōu)勢部分損失.

這就需要深入理解和分析申威處理器的PCI-E總線接口芯片的工作原理，理解申威處理器PCI-E事務(wù)的基本數(shù)據(jù)包交換單元TLP(transaction layer packet)和網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)整網(wǎng)卡驅(qū)動對數(shù)據(jù)包的封裝，使之與TLP更匹配，從而做到網(wǎng)卡芯片與申威多核之間的緊密結(jié)合[17].

另外，減少MMIO的訪問頻度也是提升PCI-E并行傳輸能力的關(guān)鍵點.

2) 內(nèi)存的高效訪問

多個CPU核訪問同一段內(nèi)存池甚至同一個環(huán)形緩存區(qū)時，因為每次讀寫時都要進(jìn)行Compare-and-Set操作來保證期間數(shù)據(jù)未被其他核心修改，所以存取效率較低.需要研究的是在應(yīng)用軟件中，通過包括DPDK支持在內(nèi)的手段，盡量讓每個核只訪問自己的數(shù)據(jù)，從而使其所要處理的數(shù)據(jù)盡可能緩存在自己的Cache中.另外，盡量對環(huán)形緩存區(qū)進(jìn)行塊讀寫操作，以減少訪問環(huán)形緩存區(qū)的次數(shù)[15].

3) 收發(fā)包批處理

收發(fā)包是一個相對復(fù)雜的軟件運算過程，其中主要包含緩存的分配與釋放、描述符的解析與構(gòu)造，涉及多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的讀、寫訪問[18].

只要涉及比較多的數(shù)據(jù)訪問，就應(yīng)盡量讓數(shù)據(jù)訪問都能在處理器緩存中完成( Cache hit)，這是實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理的重要手段.反之，Cache miss會導(dǎo)致內(nèi)存訪問，引人大量延遲，是性能殺手.

對收發(fā)包實現(xiàn)批處理是一項細(xì)致但物有所值的工作，其基本原理是把收發(fā)包復(fù)雜的處理過程進(jìn)行分解，打散成不同的相對較小的處理階段，把相鄰的數(shù)據(jù)訪問、相似的數(shù)據(jù)運算集中處理.這樣就能盡可能減少對內(nèi)存或者低一級的處理器緩存的訪問次數(shù)，用更少的訪問次數(shù)來完成更多次收發(fā)包運算所需要數(shù)據(jù)的讀或者寫.在這方面，我們還需要有更多的實踐經(jīng)驗積累[19].

4) 針對小包的Cache預(yù)取機(jī)制優(yōu)化

申威處理器的Cache line為128 B，Intel平臺的Cache line為64 B；對于64 B小包來說，一次Cache預(yù)取在Intel平臺下剛好完全使用，而申威會浪費一半的Cache資源.為了高效使用申威處理器的Cache，需要重新設(shè)定頻繁訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Cache align(Cache對齊)為128 B，并修正數(shù)據(jù)包內(nèi)存池，以便讓2個64 B小包連續(xù)存儲.這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)包預(yù)取時，一個預(yù)取指令可以緩存2個小包，同時避免了寶貴的Cache資源的浪費，大大提升了申威處理器對小包的處理能力[20].

4 原型機(jī)簡介

我們研制的原型機(jī)主要用來驗證影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理的核心問題——性能，在基于申威處理器的DPDK框架下是否可以得到大幅提升.原型機(jī)在整體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用邏輯上的設(shè)計應(yīng)該盡量簡潔，以方便發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)在DPDK框架下的處理邏輯的性能瓶頸，從而針對相關(guān)瓶頸進(jìn)行性能優(yōu)化.

原型機(jī)的成果可用于快速評估SW-DPDK在申威平臺上的應(yīng)用效果，相關(guān)測試參數(shù)和軟件構(gòu)架可以指引后續(xù)更復(fù)雜的防火墻、路由器、VPN等其他商用安全產(chǎn)品研發(fā)的可行性分析與架構(gòu)設(shè)計.

4.1 設(shè)計方案

以DPDK平臺為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，搭建調(diào)度模塊、配置模塊、規(guī)則匹配模塊(含靜態(tài)路由匹配)、流匹配模塊、收包模塊、發(fā)包模塊和日志模塊.

圖3給出了這些模塊的邏輯關(guān)系：

圖3 模塊的邏輯關(guān)系圖

1) 調(diào)度模塊負(fù)責(zé)加載運行其他模塊；

2) 由人工(或者從存儲數(shù)據(jù)中)輸入ACL規(guī)則、靜態(tài)路由規(guī)則，這些規(guī)則通過規(guī)則邏輯進(jìn)入規(guī)則匹配模塊；

3) 人工操作(添加、刪除、修改)的ACL規(guī)則、靜態(tài)路由規(guī)則會被日志模塊記錄；

4) 流匹配模塊是根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包和ACL規(guī)則、靜態(tài)路由規(guī)則動態(tài)構(gòu)建的；

5) 流匹配情況、規(guī)則匹配情況會被日志模塊記錄；

6) 收到數(shù)據(jù)包后先進(jìn)行流匹配再進(jìn)行規(guī)則匹配，允許通過的數(shù)據(jù)包會通過發(fā)模塊發(fā)出.

4.2 實施過程

原型機(jī)的研發(fā)工作分為移植、優(yōu)化和應(yīng)用3個階段：

1) 移植階段：

① 在SW411環(huán)境下重新編譯DPDK代碼；

② 初步優(yōu)化匯編指令代碼，包括O3,RTC,CAS鎖等；

③ 實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)Demo：只做轉(zhuǎn)發(fā)，不做查表處理等工作，并初步測試、評估DPDK的能力.

2) 優(yōu)化階段

① 在轉(zhuǎn)發(fā)Demo基礎(chǔ)上進(jìn)行系列的匹配和優(yōu)化工作，主要包括：內(nèi)存訪問到chip的并行、盡量保證Cache的對齊和一致、申威處理器的SIMD功能應(yīng)用、按照core分配內(nèi)存、隊列HASH鎖等；

② 深度優(yōu)化：交叉內(nèi)存、Cache、SIMD；

③ 結(jié)構(gòu)設(shè)計：網(wǎng)卡多隊列、多核并行.

3) 應(yīng)用階段

① 面向邏輯處理完善系統(tǒng)功能，包括多核并行的表優(yōu)化，使用SIMD進(jìn)行查表等；

② 提供基于申威DPDK的防火墻原型機(jī)，進(jìn)行性能對比測試.

4.3 性能對比

測試對象：SW411平臺通用型設(shè)備、基于DPDK技術(shù)加速的防火墻原型機(jī).

測試條件：1對千兆口，100條流平均分配到多個處理器核，60 s時長，采用橋模式，默認(rèn)全通配置，初始值100%.

測試標(biāo)準(zhǔn)：RFC2544吞吐、時延.

測試結(jié)果如表1所示.

測試結(jié)論：在基于SW411處理器的硬件平臺上應(yīng)用DPDK框架后，64 B小包吞吐率提升12倍以上，1 518 B大包時延降低95%左右.因為已達(dá)到線速，小包吞吐率應(yīng)該仍有進(jìn)一步提升的空間，這將有賴于支持萬兆的原型機(jī)進(jìn)行驗證.

表1 通用型設(shè)備和基于DPDK技術(shù)加速的防火墻原型機(jī)性能對比表

5 結(jié)束語

經(jīng)過10多年的持續(xù)發(fā)展，國產(chǎn)申威處理器在性能、穩(wěn)定性方面都取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)基本具備了與當(dāng)今國際先進(jìn)處理器相抗衡的能力.在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，已經(jīng)有很多公司采用申威處理器推出了各類產(chǎn)品，但由于申威處理器單核性能的不足，以及缺少先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理模型和框架的支撐，這些產(chǎn)品與采用X86處理器的同類產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品性能等方面還存在一些差距.

DPDK等用戶態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理器框架的出現(xiàn)給國產(chǎn)申威處理器在網(wǎng)絡(luò)安全等產(chǎn)品的應(yīng)用上帶來了揚長避短的機(jī)會，將DPDK之類的框架移植到申威平臺上可以發(fā)揮申威處理器的多核優(yōu)勢.

本文分析了將DPDK移植到申威處理器平臺上存在的難點，并提出了應(yīng)對這些難點的解決策略和關(guān)鍵技術(shù).進(jìn)一步，我們總結(jié)了幾點在國產(chǎn)申威處理器平臺上進(jìn)行高性能網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研發(fā)的實踐經(jīng)驗.最后，介紹了我們基于申威411芯片，在移植DPDK的基礎(chǔ)上研發(fā)的防火墻原型機(jī)，驗證了在DPDK的全用戶態(tài)輪詢模式下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)系統(tǒng)的性能取得的巨大提升，64 B小包的吞吐率從原始的7.2%提升到了100%線速.

最后，在此次移植工作的基礎(chǔ)上，我們對未來基于申威處理器平臺和用戶態(tài)數(shù)據(jù)包處理框架的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的研發(fā)作如下預(yù)測和展望：

1) 申威處理器的持續(xù)發(fā)展將使DPDK等框架發(fā)揮更大潛力

申威1621處理器是基于增強版的第三代“申威64”核心的國產(chǎn)高性能多核處理器，單芯片集成了16個64 b RISC結(jié)構(gòu)的申威處理器核心.在指令集和微結(jié)構(gòu)方面，申威1621處理器也提供更多的功能支持，如預(yù)取指令支持、NUMA支持和虛擬化支持等.

我們初步評估，在申威1621的指令優(yōu)化和16核支撐下，DPDK等框架的潛能可以得到進(jìn)一步的發(fā)揮，將可以實現(xiàn)線速的萬兆防火墻產(chǎn)品.

2) DPDK等框架會促進(jìn)申威處理器指令集與微架構(gòu)的進(jìn)一步提升

由于各種原因，申威處理器一直比較注重與超算相關(guān)的浮點運算等能力的提升，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理能力的重視程度不高.有助于充分發(fā)揮申威多核優(yōu)勢的DPDK等框架的出現(xiàn)，會提升申威多核服務(wù)器處理器對高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理領(lǐng)域的關(guān)注度.可以預(yù)見，申威處理器在指令集和微架構(gòu)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)上將會加大這方面的支持.我們非常期待CAS無鎖指令、類DDIO支持等功能在下一代申威服務(wù)器處理器中的出現(xiàn).

3) 基于申威處理器和先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理器框架的自主可控網(wǎng)絡(luò)安全生態(tài)建設(shè)將大有可為DPDK等先進(jìn)數(shù)據(jù)包處理框架與申威處理器的結(jié)合，使得多種以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理為基礎(chǔ)支撐的自主可控網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，如自主可控防火墻、自主可控VPN、自主可控IDSIPS、自主可控加密機(jī)等，可以在申威處理器平臺上達(dá)到較高的性能水平，滿足對使用非自主可控處理器的安全產(chǎn)品實施自主可控替代的要求，從而推動自主可控安全產(chǎn)品在軍隊、軍工、政府重要部門的應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)我國自主可控安全生態(tài)的建設(shè).

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