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凌华科技aTCA-6200服务器刀片完美搭配Intel® DPDK技术 显著提升包转发服务性能

供稿:ADLINK—凌华科技(中国)有限公司 2012/8/9 15:55:53

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  前言
  近年来,随着市场和技术的发展,越来越多的网络基础架构开始向基于通用计算平台或模块化计算平台的架构方向融合,用以支持和提供多样的网络单元和丰富的功能,如应用处理、控制处理、包处理、信号处理等。除了节约成本和缩短产品上市时间之外,在机架式系统和不同尺寸的网络设备上,此架构还可以提供模块化架构的灵活性以及随需而定的系统组件独立升级能力。在传统的网络架构中,交换模块处理In-band和out-of-band系统模块之间的路由交换,处理器模块提供应用层和控制层功能,包处理模块用于数据平面,DSP模块提供定制化的信号层功能。通过使用Intel® DPDK(Intel® Data Plane Development Kit,Intel® 数据平面开发套件),基于Intel® x86架构的处理器模块不仅可以实现传统的处理应用和控制功能,还可以实现智能和高效的包处理。
  该白皮书以IP转发作为包处理的一个典型示例,说明了如何将凌华科技aTCA-6200刀片式服务器与Intel® DPDK技术整合为单一平台,提供所需的处理性能,并实现包处理服务性能的提升。首先,我们来比较在没有使用Intel® DPDK做任何优化时,采用原生 Linux(Native Linux) IP转发时aTCA-6200的第三层转发性能。然后,我们再分析采用Intel® DPDK技术之后所获得的IP转发性能提升的原因。最后,我们将介绍凌华科技基于Intel® DPDK技术的自己的开发工具包,该工具包可以协助用户轻松地开发自己的基于Intel® DPDK的应用程序。
凌华科技aTCA-6200
  凌华科技aTCA-6200是一款高集成度的AdvancedTCA处理器刀片,支持2个Intel® Xeon® E5-2648L处理器(Sandy Bridge-EP,32nm),每一个处理器可以最多提供8核20MB的共享缓存。通过使用Intel®超线程技术(Intel® HT技术),每个处理器可以最多支持16个物理线程。除此之外,aTCA-6200还支持8通道的DDR3-1600 VLP RDIMM内存,每个处理器可以支持最大64GB的系统内存。aTCA-6200还包含了丰富的网络I/O接口,包含2个兼容PICMG 3.1 option 1/9的10GbE口(XAUI,10GBase-KX4),以及最多6个10/100/1000BASE-T千兆以太网端口,可分别连接至前面板,AdvancedTCA Base接口通道和后走线千兆以太网口。
  凌华科技aTCA-6200处理器刀片主要针对运营商级别的安全和电信应用,同样在网络基础设施中也可作为IMS服务器、媒体网关、包检测服务器、流量管理服务器和WLAN接入点控制器等。
下图1的功能示意图展示了凌华科技aTCA-6200的详细架构。


Intel DPDK
  Intel® DPDK(Intel® Data Plane Development Kit,Intel® 数据平面开发套件)是一个专为Intel®架构处理器提供的轻量级运行环境。它提供了低功耗和Run-to-Completion(RTC,运行到完成)模式,以此最大限度的提升数据包的处理性能。而且Intel® DPDK还包含了优化的和高效的函数库,为用户提供丰富的选择,例如我们熟知的环境抽象层(EAL,Environment Abstraction Layer),它负责初始化和分配低级资源,同时隐藏来自应用和函数库的环境特性,并且获取低级资源,如内存空间,PCI设备,定时器和控制台。
环境抽象层(EAL)提供优化的轮询模式驱动(PMD,Poll Mode Driver),内存和缓存管理,定时器,调试和包处理API,其中有些功能也可以由Linux操作系统提供。为使应用层间的相互协作更加便利,环境抽象层(EAL)与标准的GNU C Library(GLIBC)一起,提供集成了更高级别应用的完整API。
        下图2为软件层级结构图。


测试拓扑结构
  为了测量aTCA-6200在第三层进行处理和转发IP包的速度,我们使用图3中所示的环境进行测试。


        如图3所示,两片凌华科技aTCA-3400交换刀片,通过使用FASTPATH®网络软件,为安装在凌华科技aTCA-8505机箱中的3片处理器刀片上自带的10GbE Fabric和1GbE Base接口通道提供了无阻碍的互连交换,并支持全网(Full-Mesh)拓扑结构。因此,每个aTCA-3400交换刀片可以提供至少一个Fabric和Base接口,用以连接到每个处理器刀片,例如安装在第5槽的aTCA-6200刀片(被测设备)。
Lxia XM12测试系统,兼容RFC 2544吞吐量基准,通常被用来作为包数据的模拟器,用以发送不同帧大小的IP数据包,并收集最终的统计数据,如每秒帧数和吞吐量。
  根据上图所示的测试环境拓扑结构,aTCA-6200作为处理器刀片,包含了四个千兆以太网口:两个来自前面板(Flow 1和Flow 2),另外两个是通过aTCA-3400 Base交换实现的Base接口(Flow 3和Flow 4)。除了这4个1GbE的接口之外,aTCA-6200还有2个10GbE的接口通过aTCA-3400交换板连至lxia XM12(Flow 5和Flow 6)。
  在这个测试配置中,aTCA-6200作为被测设备(DUT),负责接收来自lxia测试系统的IPv4数据包,并在第三层处理这些数据包(例如数据包解封装,IPv4报头校验和验证,路由表查找和数据包封装),然后根据路由表查找结果将数据包返回至lxia XM12。所有的六个流向都是双向的:例如,lxia XM12通过1/2/3/4/5/6接口发送帧数据给aTCA-6200,并分别通过1/2/3/4/5/6接口接收帧数据。
测试方法
  为了评估Intel® DPDK如何在凌华科技aTCA-6200上实现包转发服务的提升,在下面的两个测试案例中我们使用了基于Intel® DPDK的IP包转发应用:
        在Native Linux下的性能
  在这个测试环境中,aTCA-6200安装了64位Ubuntu Server 11.10。同目前Linux其他版本一样,IP转发功能默认是禁用的,需启用IP转发功能,同时使用以下命令禁用ufw服务。

       
  同上,将net.ipv4.ip_forward设置为0,当前内核配置下的IP转发功能将被禁用。但是通过以下命令可以立即启用:
       
  如果在/etc/sysctl.conf中将net.ipv4.ip_forward设置为1,并重启网络服务,IP转发功能将默认启用,如下所示:
       
使用Intel® DPDK后的性能 
  Intel® DPDK可以在不同的模式下运行,如裸机(Bare Metal),带裸机实时(Bare Metal Run-Time)的Linux和Linux 用户空间(User Space)。在最初的开发阶段,Linux用户空间(User Space)模式是最容易使用的,请参看Intel Data Plane Development Kit - Getting Started Guide for Linux。中的相关描述。下图4描述了Intel® DPDK在Linux用户空间(User Space)模式下的详细功能。 


  如需在aTCA-6200处理器刀片中建立Intel® DPDK,请在该内核中设置如下参数:
  GLIBC >=2.7
  启用HPET和HPET MMAP配置选项
       
  HUGETLBFS enabled:
      
  内核驱动程序加载(UIO):
      
  在执行Intel® DPDK目标环境后,IP转发应用就能够作为Linux用户空间(User Space)的应用被运行。详细请参考Intel® Data Plane Development Kit - Getting Started Guide for Linux。
      
结果
  在原生 Linux(Native Linux)和Intel® DPDK两种不同的环境下测试了aTCA-6200刀片之后,我们比较了4个1GbE端口(2个来自前面板,2个来自Base接口)和2个10GbE Fabric端口在这两种不同配置下的IP转发性能。除此之外,我们还测试了当同时使用aTCA-6200 6个网络端口(4个1GbE和2个10GbE)时,aTCA-6200的合并IPv4转发性能。
        使用4个1GbE端口时的性能比较 


  原生 Linux(Native Linux)启用IP转发功能,并在aTCA-6200的4个1GbE接口上运行IPv4转发, 64字节大小的帧可以以每秒100万个的速度被转发。当帧大小增加到1024字节时,原生 Linux(Native Linux)的IP转发可以达到100%的线率。但是在实际环境中,帧大小通常小于1024字节,因此100%的线率是无法实现的。但是,在同样的Linux操作系统下使用Intel® DPDK并运行在仅有的两个CPU线程上,aTCA-6200能够以100%的线率转发帧数据,并且无论帧大小如何设置,都没有任何的丢帧现象发生,如上面图5所示。
        相比Native Linux的IP转发性能,使用了Intel® DPDK之后的aTCA-6200可以将转发性能提升6倍。
        使用2个10GbE接口时的性能比较


  在2个10GbE Fabric接口上进行IP转发测试时,无论是在原生 Linux(Native Linux)下还是基于Intel® DPDK,IP的转发性能相比使用4个1GbE接口时都有很大的提升。如上图6所示,相比原生 Linux(Native Linux)使用所有的CPU线程,采用了Intel® DPDK的aTCA-6200只需要两个线程就可以获得10倍性能的提升。
        aTCA-6200全部的IPv4转发性能


  使用aTCA-6200全部的接口(2个10GbE Fabric接口,2个1GbE前置面板接口和2个1GbE Base接口)测试合并的IP转发性能时,使用Intel® DPDK后的aTCA-6200每秒可以传输2700万个64字节的数据帧。换言之,理论上24Gbps的数据吞吐量有18Gbps可以被转发(即75.3%的线率)。此外,当数据帧分别为128字节和256字节时,吞吐量的线率可以提升到92.3%,甚至高达99%。
  换言之,理论上24 Gbps的吞吐量高达18 Gbps的可转发(即线率 75.3%)。此外,即线率的吞吐量提高到92.3%,甚至高达99%,当帧的大小分别设置为128字节,256字节。
分析
  相比原生 Linux(Native Linux),采用Intel® DPDK技术后能够大幅提升IP转性能的主要原因在于Intel® DPDK采用了如下描述的主要特征。
        轮询模式取代中断
  通常当数据包进入的时候,Native Linux会从网络接口控制器(NIC,Network Interface Controller)接收到中断,然后调度软中断,对所得的中断进行上下文切换,并唤醒系统调用,如read()和write()。
相比之下,Intel® DPDK采用了优化的轮询模式驱动(PMD,Poll Mode Driver)代替默认的以太网驱动程序,从而可以不断地接收数据包,避免软件中断,上下文切换和唤醒系统调用,从而大大的节省重要的CPU资源,并且降低了延迟。
        HugePage取代传统页
  相比Native Linux的4kB 页,采用更大的页尺寸意味着可以节省页的查询时间,并减少转译查找缓存(TLB,Translation Lookaside Buffer)丢失的可能。
Intel® DPDK作为用户空间(User-space)应用运行时,在自己的内存空间中分配HugePage至存储帧缓冲区,环形和其他相关缓冲区,这些缓冲区是由其他应用程序控制,甚至是Linux内核。本白皮书描述的测试中,总计1024@2MB的HugePage被保留用于运行IP转发应用。
零拷贝缓冲区
  在传统的数据包处理过程中,原生 Linux(Native Linux)解封包的报头,然后根据Socket ID将数据复制到用户空间(User Space)缓冲区。一旦用户空间(User Space)应用程序完成了数据的处理,一个write()系统调用将被唤醒并把数据送至内核,负责将数据从用户空间(User Space)拷贝至内核缓冲区,封装包的报头,最后借助相关的物理端口将数据发出去。显然,原生 Linux(Native Linux)在内核缓冲区和用户空间(User Space)缓冲区之间进行拷贝动作,牺牲了很多的时间和资源。
  相比之下,Intel® DPDK在自己保留的内存区域接收数据包,这个区域位于用户空间(User Space)缓冲区,之后根据配置规则将这些数据包分类到每一个Flow中。在处理完解封包之后,在相同的用户空间(User Space)缓冲区中使用正确的报头进行包封装,最后通过相关的物理端口发送这些数据。
        Run-to-Completion(RTC,运行到完成)和Core Affinity
  在执行应用之前,Intel® DPDK会进行初始化,分配所有的低级资源,如内存空间,PCI设备,定时器,控制台,这些资源将被保留且仅用于那些基于Intel® DPDK的应用。初始化完成之后,每一个核(或线程,当BIOS设置中启用了Intel®超线程技术时)将被启用来负责每一个执行单元,并根据实际应用的需求,运行相同的或不同的工作负载。
  此外,Intel® DPDK还提供了一种方法,即可以设置每个执行单元运行在每一个核心上,以维持更多的Core Affinity,从而避免缓存丢失。在此白皮书描述的测试中,aTCA-6200处理器刀片的物理端口根据Affinity被绑定在两个不同的CPU线程上。
无锁执行和缓存校准
  Intel® DPDK提供的库和API,被优化成无锁,以防止多线程应用程序死锁现象的发生。对于缓冲区、环形和其他数据结构,Intel® DPDK也进行了优化,执行了缓存校准,以达到缓存行(Cache-Line)的效率最大化,同时最大限度减少缓存行(Cache-Line)的冲突。
结论
  通过对在凌华科技aTCA-6200的4个1GbE和2个10GbE Fabric端口使用和不使用Intel® DPDK(图5和图6)的测试结果进行分析,我们可以得出结论,在相同的硬件平台下,使用Intel® DPDK后的Linux仅用两个CPU线程进行IP转发的性能,与原生 Linux(Native Linux)使用全部的CPU线程进行IP转发的性能相比,前者是后者的10倍。
  从图7中我们可以很容易的了解到,aTCA-6200采用Intel® DPDK技术后的IPv4转发性能,可以让用户在迁移包处理应用时(从基于NPU的硬件迁移到基于Intel® x86的平台上),获得更好的成本和性能优势。同时可以采用统一的平台部署不同的服务,如应用处理,控制处理和包处理服务。
        但是,值得注意的是,Intel® DPDK是一个数据层的开发工具包,并在用户空间运行,它不是一个用户可以直接建立应用程序的完整产品。需要特别指出的是,Intel® DPDK不包含需要与控制层(包括内核和协议堆栈)进行交互的工具。 


  如图8所示,凌华科技已经开发出基于Intel® DPDK的开发工具包,用以管理控制层和数据层,如同控制层的克隆虚拟网卡一样执行任务,可以在数据层同步物理端口。使用该开发工具包,用户可以轻松地开发基于Intel® DPDK的应用,并与控制层和数据层进行交互,不仅可以有效提升包处理性能,还能让开发更简单,缩短产品上市时间。
  如需了解更多,请联络凌华科技market@adlinktech.com
参考资料
Intel® Data Plane Development Kit Software - Architecture Specification (Ref. No. 450255, Dec. 2010)
Intel® Data Plane Development Kit - Getting Started Guide for Linux (Ref. No. 450248, Dec. 2010)
Wind River White Paper: High-Performance Multi-Core Networking Software Design Options (Dec. 2011) 

更多内容请访问 ADLINK—凌华科技(中国)有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=46668)

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