基于DPDK和LX2160A的高效數(shù)據(jù)包捕獲方法研究與應(yīng)用

楊勇

（中興通訊股份有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 概述

隨著5G 通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模部署，大流量、高速率、低延時(shí)等特點(diǎn)的業(yè)務(wù)將會(huì)日漸上線。為了承載更多5G 業(yè)務(wù)流量和用戶需求，通信運(yùn)營服務(wù)商對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提出了更嚴(yán)格的要求，即要求支持高可用、高帶寬、海量連接數(shù)、低時(shí)延等特點(diǎn)。另外在聚焦5G 技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要注重資源利用率、吞吐率等的提升與研究，逐漸轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念[2]。面對(duì)高帶寬數(shù)據(jù)處理需求，這些設(shè)備的CPU 須具備高效數(shù)據(jù)包捕獲處理能力。

數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件DPDK，區(qū)別于 Linux 操作系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)目標(biāo)，DPDK 致力于提供快速數(shù)據(jù)包處理的函數(shù)庫與用戶態(tài)網(wǎng)卡等驅(qū)動(dòng)集合，聚焦于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)包的高性能捕獲處理。恩智浦LX2160A 多核CPU 處理器是Layerscape 系列中性能最高的成員，尤其適合于極具挑戰(zhàn)性的高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

本文主要研究基于DPDK 和LX2160A 的數(shù)據(jù)包捕獲應(yīng)用方案。本文先是通過仔細(xì)研究DPDK 的技術(shù)特點(diǎn)和價(jià)值。接著詳細(xì)介紹了LX2160A 芯片技術(shù)特征，用于高效數(shù)據(jù)包捕獲的數(shù)據(jù)通道加速架構(gòu)及其關(guān)鍵組成部件和DPAA2 虛擬對(duì)象概念，還有在具體實(shí)踐應(yīng)用時(shí)需使用的接口文件。然后本文給出基于DPDK 和LX2160A 高效數(shù)據(jù)包捕獲的設(shè)計(jì)方法，以及在三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)包捕獲應(yīng)用的測試方法；最后用測試結(jié)果表明，本文所述的數(shù)據(jù)包捕獲方法效果好，具備可行性和可用性。

2 DPDK的技術(shù)特點(diǎn)與價(jià)值

2.1 DPDK主要的技術(shù)特點(diǎn)

（1）巨頁[3]：報(bào)文捕獲與發(fā)送時(shí)，使用內(nèi)存大頁HUGEPAGE，顯著降低TLB miss，同時(shí)借助內(nèi)存多通道交錯(cuò)訪問，顯著提升內(nèi)存訪問效率。

（2）用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)[4]：使用應(yīng)用程序空間下驅(qū)動(dòng)程序，大幅避免了不必要的內(nèi)存拷貝和系統(tǒng)調(diào)用，有利于快速迭代優(yōu)化。

（3）CPU 親和性與獨(dú)占特性：將指定線程綁定到特定CPU 核上運(yùn)行，避免線程在不同vcpu 間頻繁切換，保證更多的cache 命中，也可以避免操作系統(tǒng)調(diào)度的性能消耗。

（4）無鎖隊(duì)列：提供內(nèi)存池和無鎖環(huán)形緩存管理，加快報(bào)文數(shù)據(jù)交換效率。

（5）軟件調(diào)優(yōu)：使用cache 緩存行對(duì)齊處理和預(yù)取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)批量操作。

以上這些技術(shù)特點(diǎn)，也是針對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)包捕獲過程的瓶頸點(diǎn)做了改進(jìn)。影響數(shù)據(jù)包捕獲性能的主要原因有內(nèi)存訪問、系統(tǒng)開銷和TCP/IP 協(xié)議棧的處理三個(gè)方面[5]。操作系統(tǒng)傳統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)包捕獲過程，先是網(wǎng)卡收到報(bào)文，觸發(fā)收?qǐng)?bào)中斷；接著CPU 將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡緩存空間拷貝至內(nèi)核內(nèi)存空間,經(jīng)過內(nèi)核協(xié)議棧處理后,再將數(shù)據(jù)包拷貝到用戶態(tài)內(nèi)存空間。在此數(shù)據(jù)包處理過程中，消耗大量CPU 資源用來處理中斷、內(nèi)存拷貝以及系統(tǒng)調(diào)用[6]。

2.2 DPDK的價(jià)值探討

DPDK 最初是英特爾等幾家公司開發(fā)的高性能包處理軟件框架，在X86 平臺(tái)下使用，幾乎支持所有Intel 網(wǎng)卡，起到了抬高Intel 硬件產(chǎn)品身價(jià)的作用。在2017年，DPDK 項(xiàng)目正式成為Linux基金會(huì)旗下的項(xiàng)目。在Linux 基金會(huì)的管理下，DPDK 提供一個(gè)更加中立的環(huán)境，促進(jìn)對(duì)DPDK 愛好者之間的協(xié)作交流，實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)CPU 架構(gòu)更快地處理數(shù)據(jù)包和網(wǎng)卡（NIC）適配。目前，DPDK不僅支持Intel 硬件產(chǎn)品，正在支持越來越多的廠商硬件產(chǎn)品，包括Intel、Nxp、Cavium、網(wǎng)訊等硬件廠商產(chǎn)品。

DPDK 包含庫在內(nèi)的數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件，能夠滿足多種CPU架構(gòu)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)包捕獲處理要求，還能對(duì)業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行加速。通過快速地?cái)?shù)據(jù)包處理，DPDK 在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬化設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

3 LX2160A芯片包處理架構(gòu)與應(yīng)用方案

3.1 主要技術(shù)特征

擁有16 個(gè)Cortex-A72 CPU，運(yùn)行頻率高達(dá)2.2GHz；支持最多16 個(gè)以太網(wǎng)端口；支持的以太網(wǎng)速率包括每秒1、2.5、10、25、40、50 和100GB；支持114Gbps L2 以太網(wǎng)交換機(jī)。

3.2 DPAA2關(guān)鍵部件的作用

（1）Mgmt Complex（簡稱MC）：DPAA2 硬件資源對(duì)象不直接呈現(xiàn)給應(yīng)用程序使用，而是被虛擬化成多種DPAA2 邏輯對(duì)象供應(yīng)用程序使用。MC 建立DPAA2 硬件資源對(duì)象和DPAA2 邏輯對(duì)象的映射關(guān)系，封裝訪問DPAA2 邏輯對(duì)象的API 接口，供應(yīng)用程序使用DPAA2 邏輯對(duì)象。

（2）WRIOP：負(fù)責(zé)管理DPAA2 對(duì)象的讀寫訪問接口、數(shù)據(jù)包解析以及查詢匹配等轉(zhuǎn)發(fā)處理。

（3）QBMan：用于收發(fā)包隊(duì)列管理以及收發(fā)報(bào)緩存管理。

（4）Accelerators：這是加速器引擎，包括加密和安全加速器、模式匹配加速器、數(shù)據(jù)壓縮/解壓縮加速器以及DMA 控制器等。

（5）AIOP：這是可編程的多核微引擎，可應(yīng)用于高效分組報(bào)文處理。

在數(shù)據(jù)包捕獲應(yīng)用場景，MC、WRIOP 和QBMan，是必選對(duì)象；Accelerators 和AIOP 是可選對(duì)象，主要用于數(shù)據(jù)面業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)。

3.3 常用的DPAA2數(shù)據(jù)包處理對(duì)象[7][8]

（1）DPMAC：作為虛擬MAC 接口，用于訪問物理MAC 接口。

（2）DPNI：作為虛擬網(wǎng)絡(luò)接口，應(yīng)用程序包處理直接配置該類型網(wǎng)絡(luò)接口，支持基本的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理以及業(yè)務(wù)卸載等功能。

（3）DPSW：支持?jǐn)?shù)據(jù)通道的二層交換功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)接口之間數(shù)據(jù)包交換處理以及鏡像處理等。

（4）DPBP：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通道緩存管理和隊(duì)列管理。

（5）DPIO：作為數(shù)據(jù)通道基本網(wǎng)絡(luò)接口，MC 通過DPIO 訪問QBMan 資源。

DPAA2 對(duì)象有很多，以上對(duì)象是用戶態(tài)數(shù)據(jù)捕獲應(yīng)用時(shí)需要使用的對(duì)象。

3.4 DPAA2包捕獲應(yīng)用初始化

在使用DPAA2 包捕獲應(yīng)用時(shí)，需要完成一些必要的初始化操作，操作如下：

（1）加載MC 固件，作為訪問DPAA2 對(duì)象的驅(qū)動(dòng)。

（2）配置Data Path Configuration(DPC)文件，完成MC 工作參數(shù)配置以及單板網(wǎng)絡(luò)接口工作模式、協(xié)商模式以及帶寬等配置。

（3）配置Data Path Layout(DPL)文件，定義MC 需要?jiǎng)?chuàng)建的DPAA2 工作對(duì)象，包括Data Path Resource Container（DPRC）、DPNI 以及包含關(guān)系等。

（4）在完成MC 固件加載和DPL 文件配置后，通過操作復(fù)位寄存器便可啟動(dòng)MC。

（5）Virtual Function I/O（VFIO）映射，安全的把設(shè)備I/O、中斷、DMA 等展現(xiàn)到用戶空間，在用戶空間完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的框架。

上述幾步操作可在系統(tǒng)BOOT 啟動(dòng)階段執(zhí)行，到了應(yīng)用程序運(yùn)行階段，還可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)修改DPAA2 對(duì)象屬性。

4 DPDK的數(shù)據(jù)包處理應(yīng)用

4.1 實(shí)踐應(yīng)用背景

本文所述的實(shí)踐應(yīng)用，要處理多種報(bào)文類型的數(shù)據(jù)報(bào)文。經(jīng)過業(yè)務(wù)架構(gòu)和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)業(yè)務(wù)類別將要處理的數(shù)據(jù)報(bào)文分成3 類，分別是系統(tǒng)管理面、協(xié)議控制面和數(shù)據(jù)面的報(bào)文，每類報(bào)文所需最大帶寬為10G。這3 類數(shù)據(jù)報(bào)文分別走不同的物理鏈路達(dá)到CPU 網(wǎng)卡接口，使得這3 類數(shù)據(jù)報(bào)文都能夠得到高優(yōu)先級(jí)處理，簡化并發(fā)處理場景的軟件架構(gòu)復(fù)雜度，系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)吞吐量也得到了極具提升。本文在圍繞LX2160A CPU 設(shè)計(jì)的硬件板卡上，設(shè)計(jì)基于DPDK 的高性能數(shù)據(jù)包捕獲應(yīng)用方案。

4.2 使用的LX2160A芯片硬件資源

基于上述應(yīng)用背景，系統(tǒng)方案規(guī)劃LX2160A 芯片出3 個(gè)10G以太網(wǎng)接口，連接3 條不同的物理鏈路，用于收發(fā)不同報(bào)文類別的數(shù)據(jù)報(bào)文。軟件架構(gòu)方案設(shè)計(jì)3 個(gè)收發(fā)報(bào)線程，分別獨(dú)立部署于3個(gè)vcpu 核，設(shè)置親和性和排他屬性。

4.3 數(shù)據(jù)包捕獲與應(yīng)用

總結(jié)數(shù)據(jù)包捕獲處理主要步驟如下：

（1）初始化DPAA2 包處理對(duì)象，見3.4 節(jié)描述。

（2）使用rte_eal_init 函數(shù)接口，初始化EAL 環(huán)境，完成包處理線程創(chuàng)建、親和性設(shè)置以及內(nèi)存訪問通道等設(shè)置。

（3）使用rte_pktmbuf_pool_create 等函數(shù)接口，初始化DPDK Mbuf、Mempool 內(nèi)存池。

（4）使用rte_eth_rx_queue_setup 函數(shù)接口初始化收包隊(duì)列；使用rte_eth_tx_queue_setup 函數(shù)接口，初始化發(fā)包隊(duì)列。

（5）使用rte_eth_dev_configure 等函數(shù)接口，初始化網(wǎng)絡(luò)接口。

（6）使用rte_eal_remote_launch 函數(shù)接口，掛接APP 數(shù)據(jù)包處理接口。

（7）使用rte_eth_rx_burst 函數(shù)接口，從網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)包；使用rte_eth_tx_burst 函數(shù)接口，從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送數(shù)據(jù)包。

經(jīng)過以上幾個(gè)步驟的操作，便可以實(shí)現(xiàn)從指定網(wǎng)絡(luò)接口循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)包。對(duì)于一些業(yè)務(wù)處理性能要求很高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)據(jù)包捕獲、解析以及業(yè)務(wù)應(yīng)用處理往往是并行處理的軟件架構(gòu)[9]，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)包處理。本文研究的數(shù)據(jù)包捕獲與應(yīng)用的項(xiàng)目便是采用數(shù)據(jù)包捕獲與業(yè)務(wù)處理分離的軟件架構(gòu)。在捕獲數(shù)據(jù)包之后，根據(jù)包文特征傳遞給特定的業(yè)務(wù)應(yīng)用處理。

4.4 測試小結(jié)

按照上述方案完成軟件設(shè)計(jì)后，通過如下操作，測試本文提出方案的實(shí)踐效果。

（1）連接測試的網(wǎng)絡(luò)接口：在基于LX2160A CPU 構(gòu)建的三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備板卡上，采用DPDK 數(shù)據(jù)包處理框架，從16 個(gè)MAC 中選擇一個(gè)作為測試網(wǎng)絡(luò)接口；使用一個(gè)數(shù)據(jù)測試儀接口與該接口相連。

（2）構(gòu)建測試數(shù)據(jù)流量：選擇一種較為常見的電信運(yùn)營商集采測試場景的業(yè)務(wù)配置，配置OSPF 路由協(xié)議，建立測試路徑；在測試儀構(gòu)造10G 流量的1024 字節(jié)長度的數(shù)據(jù)流。

（3）分析數(shù)據(jù)包處理性能：CPU 收到收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，更換接收?qǐng)?bào)文的以太幀幀頭的MAC 信息，然后從接收MAC 接口發(fā)送給測試儀，觀察測試儀收發(fā)報(bào)文數(shù)量一致，符合應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

基于LX2160A 的硬件環(huán)境進(jìn)行收發(fā)流驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：不帶業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)，接收數(shù)據(jù)包的性能近乎于線速；帶業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)，對(duì)比BPF[10]數(shù)據(jù)包捕獲方案，基于DPDK 的數(shù)據(jù)包捕獲性能提升近十倍；數(shù)據(jù)包捕獲后會(huì)交付給業(yè)務(wù)模塊，該交互處理邏輯還有優(yōu)化空間，優(yōu)化后數(shù)據(jù)包吞吐量還將會(huì)有明顯提高。

基于LX2160A 這種具備豐富核資源且?guī)в芯W(wǎng)絡(luò)加速功能的硬件架構(gòu)環(huán)境，將數(shù)據(jù)包捕獲和業(yè)務(wù)負(fù)載分配到不同的CPU 硬件核，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包捕獲和工作負(fù)載處理并發(fā)處理，從而簡化硬件成本、簡化軟件架構(gòu)復(fù)雜度和加快產(chǎn)品上市時(shí)間。