一文看懂DPDK技術(shù) Linux+x86網(wǎng)絡(luò)IO瓶頸分析

一、網(wǎng)絡(luò)IO的處境和趨勢(shì) 從我們用戶的使用就可以感受到網(wǎng)速一直在提升，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也從1GE/10GE/25GE /40GE/100GE的演變，從中可以得出單機(jī)的網(wǎng)絡(luò)IO能力必須跟上時(shí)代的發(fā)展。

傳統(tǒng)的電信領(lǐng)域

IP層及以下，例如路由器、交換機(jī)、防火墻、基站等設(shè)備都是采用硬件解決方案?；趯Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)處理器（NP），有基于FPGA，更有基于ASIC的。但是基于硬件的劣勢(shì)非常明顯，發(fā)生Bug不易修復(fù)，不易調(diào)試維護(hù)，并且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在發(fā)展，例如2G/3G/4G/5G等移動(dòng)技術(shù)的革新，這些屬于業(yè)務(wù)的邏輯基于硬件實(shí)現(xiàn)太痛苦，不能快速迭代。傳統(tǒng)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是急需一套軟件架構(gòu)的高性能網(wǎng)絡(luò)IO開(kāi)發(fā)框架。

云的發(fā)展

私有云的出現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）共享硬件成為趨勢(shì)，NFV的定義是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)的或新的網(wǎng)絡(luò)功能。急需一套基于常用系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的高性能網(wǎng)絡(luò)IO開(kāi)發(fā)框架。

單機(jī)性能的飆升

網(wǎng)卡從1G到100G的發(fā)展，CPU從單核到多核到多CPU的發(fā)展，服務(wù)器的單機(jī)能力通過(guò)橫行擴(kuò)展達(dá)到新的高點(diǎn)。但是軟件開(kāi)發(fā)卻無(wú)法跟上節(jié)奏，單機(jī)處理能力沒(méi)能和硬件門當(dāng)戶對(duì)，如何開(kāi)發(fā)出與時(shí)并進(jìn)高吞吐量的服務(wù)，單機(jī)百萬(wàn)千萬(wàn)并發(fā)能力。即使有業(yè)務(wù)對(duì)QPS要求不高，主要是CPU密集型，但是現(xiàn)在大數(shù)據(jù)分析、人工智能等應(yīng)用都需要在分布式服務(wù)器之間傳輸大量數(shù)據(jù)完成作業(yè)。這點(diǎn)應(yīng)該是我們互聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)開(kāi)發(fā)最應(yīng)關(guān)注，也最關(guān)聯(lián)的。

二、Linux + x86網(wǎng)絡(luò)IO瓶頸

在數(shù)年前曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)《網(wǎng)卡工作原理及高并發(fā)下的調(diào)優(yōu)》一文，描述了Linux的收發(fā)報(bào)文流程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在C1（8核）上跑應(yīng)用每1W包處理需要消耗1%軟中斷CPU，這意味著單機(jī)的上限是100萬(wàn)PPS（Packet Per Second）。從TGW（Netfilter版）的性能100萬(wàn)PPS，AliLVS優(yōu)化了也只到150萬(wàn)PPS，并且他們使用的服務(wù)器的配置還是比較好的。假設(shè)，我們要跑滿10GE網(wǎng)卡，每個(gè)包64字節(jié)，這就需要2000萬(wàn)PPS（注：以太網(wǎng)萬(wàn)兆網(wǎng)卡速度上限是1488萬(wàn)PPS，因?yàn)樽钚笮?4B《Bandwidth, Packets Per Second, and Other Network Performance Metrics》），100G是2億PPS，即每個(gè)包的處理耗時(shí)不能超過(guò)50納秒。而一次Cache Miss，不管是TLB、數(shù)據(jù)Cache、指令Cache發(fā)生Miss，回內(nèi)存讀取大約65納秒，NUMA體系下跨Node通訊大約40納秒。所以，即使不加上業(yè)務(wù)邏輯，即使純收發(fā)包都如此艱難。我們要控制Cache的命中率，我們要了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，不能發(fā)生跨Node通訊。 從這些數(shù)據(jù)，我希望可以直接感受一下這里的挑戰(zhàn)有多大，理想和現(xiàn)實(shí)，我們需要從中平衡。問(wèn)題都有這些

傳統(tǒng)的收發(fā)報(bào)文方式都必須采用硬中斷來(lái)做通訊，每次硬中斷大約消耗100微秒，這還不算因?yàn)榻K止上下文所帶來(lái)的Cache Miss。

數(shù)據(jù)必須從內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)之間切換拷貝帶來(lái)大量CPU消耗，全局鎖競(jìng)爭(zhēng)。

收發(fā)包都有系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷。

內(nèi)核工作在多核上，為可全局一致，即使采用Lock Free，也避免不了鎖總線、內(nèi)存屏障帶來(lái)的性能損耗。

從網(wǎng)卡到業(yè)務(wù)進(jìn)程，經(jīng)過(guò)的路徑太長(zhǎng)，有些其實(shí)未必要的，例如netfilter框架，這些都帶來(lái)一定的消耗，而且容易Cache Miss。

三、DPDK的基本原理

從前面的分析可以得知IO實(shí)現(xiàn)的方式、內(nèi)核的瓶頸，以及數(shù)據(jù)流過(guò)內(nèi)核存在不可控因素，這些都是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核是導(dǎo)致瓶頸的原因所在，要解決問(wèn)題需要繞過(guò)內(nèi)核。所以主流解決方案都是旁路網(wǎng)卡IO，繞過(guò)內(nèi)核直接在用戶態(tài)收發(fā)包來(lái)解決內(nèi)核的瓶頸。 Linux社區(qū)也提供了旁路機(jī)制Netmap，官方數(shù)據(jù)10G網(wǎng)卡1400萬(wàn)PPS，但是Netmap沒(méi)廣泛使用。其原因有幾個(gè)：

Netmap需要驅(qū)動(dòng)的支持，即需要網(wǎng)卡廠商認(rèn)可這個(gè)方案。

Netmap仍然依賴中斷通知機(jī)制，沒(méi)完全解決瓶頸。

Netmap更像是幾個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)直接收發(fā)包，功能太過(guò)原始，沒(méi)形成依賴的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)框架，社區(qū)不完善。

那么，我們來(lái)看看發(fā)展了十幾年的DPDK，從Intel主導(dǎo)開(kāi)發(fā)，到華為、思科、AWS等大廠商的加入，核心玩家都在該圈子里，擁有完善的社區(qū)，生態(tài)形成閉環(huán)。早期，主要是傳統(tǒng)電信領(lǐng)域3層以下的應(yīng)用，如華為、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)都是其早期使用者，交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)是主要應(yīng)用場(chǎng)景。但是，隨著上層業(yè)務(wù)的需求以及DPDK的完善，在更高的應(yīng)用也在逐步出現(xiàn)。 DPDK旁路原理：?

? 左邊是原來(lái)的方式數(shù)據(jù)從 網(wǎng)卡 -> 驅(qū)動(dòng) -> 協(xié)議棧 -> Socket接口 -> 業(yè)務(wù) 右邊是DPDK的方式，基于UIO（Userspace I/O）旁路數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從 網(wǎng)卡 -> DPDK輪詢模式-> DPDK基礎(chǔ)庫(kù) -> 業(yè)務(wù) 用戶態(tài)的好處是易用開(kāi)發(fā)和維護(hù)，靈活性好。并且Crash也不影響內(nèi)核運(yùn)行，魯棒性強(qiáng)。 DPDK支持的CPU體系架構(gòu)：x86、ARM、PowerPC（PPC） DPDK支持的網(wǎng)卡列表：https://core.dpdk.org/supported/，我們主流使用Intel 82599（光口）、Intel x540（電口）

四、DPDK的基石UIO

為了讓驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在用戶態(tài)，Linux提供UIO機(jī)制。使用UIO可以通過(guò)read感知中斷，通過(guò)mmap實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)卡的通訊。 UIO原理：?

要開(kāi)發(fā)用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)有幾個(gè)步驟：

開(kāi)發(fā)運(yùn)行在內(nèi)核的UIO模塊，因?yàn)橛仓袛嘀荒茉趦?nèi)核處理

通過(guò)/dev/uioX讀取中斷

通過(guò)mmap和外設(shè)共享內(nèi)存

五、DPDK核心優(yōu)化：PMD

DPDK的UIO驅(qū)動(dòng)屏蔽了硬件發(fā)出中斷，然后在用戶態(tài)采用主動(dòng)輪詢的方式，這種模式被稱為PMD（Poll Mode Driver）。 UIO旁路了內(nèi)核，主動(dòng)輪詢?nèi)サ粲仓袛?，DPDK從而可以在用戶態(tài)做收發(fā)包處理。帶來(lái)Zero Copy、無(wú)系統(tǒng)調(diào)用的好處，同步處理減少上下文切換帶來(lái)的Cache Miss。 運(yùn)行在PMD的Core會(huì)處于用戶態(tài)CPU100%的狀態(tài)?

網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)CPU長(zhǎng)期空轉(zhuǎn)，會(huì)帶來(lái)能耗問(wèn)題。所以，DPDK推出Interrupt DPDK模式。 Interrupt DPDK：?

? 它的原理和NAPI很像，就是沒(méi)包可處理時(shí)進(jìn)入睡眠，改為中斷通知。并且可以和其他進(jìn)程共享同個(gè)CPU Core，但是DPDK進(jìn)程會(huì)有更高調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

六、DPDK的高性能代碼實(shí)現(xiàn)

采用HugePage減少TLB Miss

默認(rèn)下Linux采用4KB為一頁(yè)，頁(yè)越小內(nèi)存越大，頁(yè)表的開(kāi)銷越大，頁(yè)表的內(nèi)存占用也越大。CPU有TLB（Translation Lookaside Buffer）成本高所以一般就只能存放幾百到上千個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。如果進(jìn)程要使用64G內(nèi)存，則64G/4KB=16000000（一千六百萬(wàn)）頁(yè)，每頁(yè)在頁(yè)表項(xiàng)中占用16000000 * 4B=62MB。如果用HugePage采用2MB作為一頁(yè)，只需64G/2MB=2000，數(shù)量不在同個(gè)級(jí)別。 而DPDK采用HugePage，在x86-64下支持2MB、1GB的頁(yè)大小，幾何級(jí)的降低了頁(yè)表項(xiàng)的大小，從而減少TLB-Miss。并提供了內(nèi)存池（Mempool）、MBuf、無(wú)鎖環(huán)（Ring）、Bitmap等基礎(chǔ)庫(kù)。根據(jù)我們的實(shí)踐，在數(shù)據(jù)平面（Data Plane）頻繁的內(nèi)存分配釋放，必須使用內(nèi)存池，不能直接使用rte_malloc，DPDK的內(nèi)存分配實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)陋，不如ptmalloc。

SNA（Shared-nothing Architecture）

軟件架構(gòu)去中心化，盡量避免全局共享，帶來(lái)全局競(jìng)爭(zhēng)，失去橫向擴(kuò)展的能力。NUMA體系下不跨Node遠(yuǎn)程使用內(nèi)存。

SIMD（Single Instruction Multiple Data）

從最早的mmx/sse到最新的avx2，SIMD的能力一直在增強(qiáng)。DPDK采用批量同時(shí)處理多個(gè)包，再用向量編程，一個(gè)周期內(nèi)對(duì)所有包進(jìn)行處理。比如，memcpy就使用SIMD來(lái)提高速度。 SIMD在游戲后臺(tái)比較常見(jiàn)，但是其他業(yè)務(wù)如果有類似批量處理的場(chǎng)景，要提高性能，也可看看能否滿足。

不使用慢速API

這里需要重新定義一下慢速API，比如說(shuō)gettimeofday，雖然在64位下通過(guò)vDSO已經(jīng)不需要陷入內(nèi)核態(tài)，只是一個(gè)純內(nèi)存訪問(wèn)，每秒也能達(dá)到幾千萬(wàn)的級(jí)別。但是，不要忘記了我們?cè)?0GE下，每秒的處理能力就要達(dá)到幾千萬(wàn)。所以即使是gettimeofday也屬于慢速API。DPDK提供Cycles接口，例如rte_get_tsc_cycles接口，基于HPET或TSC實(shí)現(xiàn)。

5. 編譯執(zhí)行優(yōu)化

分支預(yù)測(cè)

現(xiàn)代CPU通過(guò)pipeline、superscalar提高并行處理能力，為了進(jìn)一步發(fā)揮并行能力會(huì)做分支預(yù)測(cè)，提升CPU的并行能力。遇到分支時(shí)判斷可能進(jìn)入哪個(gè)分支，提前處理該分支的代碼，預(yù)先做指令讀取編碼讀取寄存器等，預(yù)測(cè)失敗則預(yù)處理全部丟棄。我們開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)有時(shí)候會(huì)非常清楚這個(gè)分支是true還是false，那就可以通過(guò)人工干預(yù)生成更緊湊的代碼提示CPU分支預(yù)測(cè)成功率。

CPU Cache預(yù)取

Cache Miss的代價(jià)非常高，回內(nèi)存讀需要65納秒，可以將即將訪問(wèn)的數(shù)據(jù)主動(dòng)推送的CPU Cache進(jìn)行優(yōu)化。比較典型的場(chǎng)景是鏈表的遍歷，鏈表的下一節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)內(nèi)存地址，所以CPU肯定是無(wú)法自動(dòng)預(yù)加載的。但是我們?cè)谔幚肀竟?jié)點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)CPU指令將下一個(gè)節(jié)點(diǎn)推送到Cache里。 API文檔：https://doc.dpdk.org/api/rte__prefetch_8h.html

內(nèi)存對(duì)齊

內(nèi)存對(duì)齊有2個(gè)好處： l 避免結(jié)構(gòu)體成員跨Cache Line，需2次讀取才能合并到寄存器中，降低性能。結(jié)構(gòu)體成員需從大到小排序和以及強(qiáng)制對(duì)齊。參考《Data alignment: Straighten up and fly right》 l 多線程場(chǎng)景下寫(xiě)產(chǎn)生False sharing，造成Cache Miss，結(jié)構(gòu)體按Cache Line對(duì)齊。

常量?jī)?yōu)化

常量相關(guān)的運(yùn)算的編譯階段完成。比如C++11引入了constexp，比如可以使用GCC的__builtin_constant_p來(lái)判斷值是否常量，然后對(duì)常量進(jìn)行編譯時(shí)得出結(jié)果。 5. 使用CPU指令 現(xiàn)代CPU提供很多指令可直接完成常見(jiàn)功能，比如大小端轉(zhuǎn)換，x86有bswap指令直接支持了。

這個(gè)實(shí)現(xiàn)，也是GLIBC的實(shí)現(xiàn)，先常量?jī)?yōu)化、CPU指令優(yōu)化、最后才用裸代碼實(shí)現(xiàn)。畢竟都是頂端程序員，對(duì)語(yǔ)言、編譯器，對(duì)實(shí)現(xiàn)的追求不一樣，所以造輪子前一定要先了解好輪子。 Google開(kāi)源的cpu_features可以獲取當(dāng)前CPU支持什么特性，從而對(duì)特定CPU進(jìn)行執(zhí)行優(yōu)化。高性能編程永無(wú)止境，對(duì)硬件、內(nèi)核、編譯器、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的理解要深入且與時(shí)俱進(jìn)。

七、DPDK生態(tài)

對(duì)我們互聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)DPDK框架本身提供的能力還是比較裸的，比如要使用DPDK就必須實(shí)現(xiàn)ARP、IP層這些基礎(chǔ)功能，有一定上手難度。如果要更高層的業(yè)務(wù)使用，還需要用戶態(tài)的傳輸協(xié)議支持。不建議直接使用DPDK。 目前生態(tài)完善，社區(qū)強(qiáng)大（一線大廠支持）的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是FD.io（The Fast Data Project），有思科開(kāi)源支持的VPP，比較完善的協(xié)議支持，ARP、VLAN、Multipath、IPv4/v6、MPLS等。用戶態(tài)傳輸協(xié)議UDP/TCP有TLDK。從項(xiàng)目定位到社區(qū)支持力度算比較靠譜的框架。 Seastar也很強(qiáng)大和靈活，內(nèi)核態(tài)和DPDK都隨意切換，也有自己的傳輸協(xié)議Seastar Native TCP/IP Stack支持，但是目前還未看到有大型項(xiàng)目在使用Seastar，可能需要填的坑比較多。 更多內(nèi)容參考“中國(guó)電信DPDK技術(shù)白皮書(shū)v1.0、DPDK基礎(chǔ)—認(rèn)識(shí)DPDK技術(shù)、DPDK架構(gòu)高清版、DPDK編程指南（中文版）”。 ?

編輯：黃飛 ?

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