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FDio——助你创新更高效、更灵活的报文处理方案

归档日期:08-06       文本归类:帧缓存器      文章编辑:爱尚语录

  FD.io (Fast data – Input/Output) 是许多项目和库的一个集合,基于DPDK并逐渐演化,支持在通用硬件平台上部署灵活和可变的业务。FD.io为软件定义基础设施的开发者提供了一个平台,可以创建多个项目,开发基于软件的报文处理创新方案,以便于设计高吞吐量、低延时和有效利用资源的应用程序,并能够应用在多个平台上(x86、ARM和PowerPC)和部署在不同的环境中(裸机、虚拟机和容器)。

  FD.io的一个关键项目是VPP(Vector Packet Processing:矢量报文处理)。VPP是高度模块化的项目,新开发的功能模块很容易被集成进VPP,而不影响VPP底层的代码框架。这就给了开发者很大的灵活性,可以创新不计其数的报文处理解决方案。

  除了VPP,FD.io充分利用DPDK特性以支持额外的项目,包括NSH_SFC, Honeycomb 和ONE来加速网络功能虚拟化的数据面。此外,FD.io还与其他关键的开源项目进行集成,以支持网络功能虚拟化和软件定义网络。目前已经集成的开源项目包括:K8s、OpenStack、ONAP和OpenDaylight。

  VPP到底是什么?一个软件路由器?一个虚拟交换机?一个虚拟网络功能?事实上,它包含所有这些,并且包含更多。VPP是一个模块化和可扩展的软件框架,用于创建网络数据面应用程序。更重要的是,VPP代码为现代通用处理器平台(x86、ARM、PowerPC等)而生,并把重点放在优化软件和硬件接口上,以便用于实时的网络输入输出操作和报文处理。

  VPP充分利用通用处理器优化技术,包括矢量指令(例如Intel SSE, AVX)以及I/O和CPU缓存间的直接交互(例如 Intel DDIO),以达到最好的报文处理性能。利用这些优化技术的好处是:使用最少的CPU核心指令和时钟周期来处理每个报文。在最新的Intel Xeon-SP处理器上,可以达到Tbps的处理性能。

  VPP是一个有效且灵活的数据面,它包括一系列按有向图组织的转发图形节点(graph node)和一个软件框架。该软件框架包含基本的数据结构、定时器、驱动程序、在图形节点间分配CPU时间片的调度器、性能调优工具,比如计数器和内建的报文跟踪功能。

  VPP采用插件(plugin)架构,插件与直接内嵌于VPP框架中的模块一样被同等对待。原则上,插件是实现某一特定功能的转发图形节点,但也可以是一个驱动程序,或者另外的CLI。插件能被插入到VPP有向图的任意位置,从而有利于快速灵活地开发新功能。因此,插件架构使开发者能够充分利用现有模块快速开发出新功能。

  输入节点轮询(或中断驱动)接口的接收队列,获取批量报文。接着把这些报文按照下个节点功能组成一个矢量(vector)或者一帧(frame)。比如:输入节点收集所有IPv4的报文并把它们传递给ip4-input节点;输入节点收集所有IPv6的报文并把它们传递给ip6-input节点。当ip6-input节点被调度时,它取出这一帧报文,利用双循环(dual-loop) 或四循环(quad-loop)以及预取报文到CPU缓存技术处理报文,以达到最优性能。这能够通过减少缓存未命中数来有效利用CPU缓存。当ip6-input节点处理完当前帧的所有报文后,把报文传递到后续不同的节点。比如:如果某报文校验失败,就被传送到error-drop节点;正常报文被传送到ip6-lookup节点。一帧报文依次通过不同的图形节点,直到它们被interface-output节点发送出去。

  从性能的角度看,主要的好处是可以优化CPU指令缓存(i-cache)的使用。当前帧的第一个报文加载当前节点的指令到指令缓存,当前帧的后续报文就可以“免费”使用指令缓存。这里,VPP充分利用了CPU的超标量结构,使报文内存加载和报文处理交织进行,达到更有效地利用CPU处理流水线。

  VPP也充分利用了CPU的预测执行功能来达到更好的性能。从预测重用报文间的转发对象(比如邻接表和路由查找表),以及预先加载报文内容到CPU的本地数据缓存(d-cache)供下一次循环使用,这些有效使用计算硬件的技术,使得VPP可以利用更细粒度的并行性。

  VPP有向图处理的特性,使它成为一个松耦合、高度一致的软件架构。每一个图形节点利用一帧报文作为输入和输出的最小处理单位,这就提供了松耦合的特性。通用功能被组合到每个图形节点中,这就提供了高度一致的架构。

  在有向图中的节点是可替代的。当这个特性和VPP支持动态加载插件节点相结合时,新功能能被快速开发,而不需要新建和编译一个定制的代码版本。

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