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  • 如何实现内核旁路（Kernel bypass）？

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    在前两篇文章中，我们讨论了《如何生成每秒百万级别的HTTP 请求？》 以及 如何减少往返时间 。我们在 Linux 上做试验，因为它是一个性能非常好的通用操作系统。

    不幸的是，对于一些更加专业的工作，Vanilla Linux（译注：Linux 的内核版本，代号“香草”） 内核的网络速度是不够的。举个例子，在 CloudFlare，我们持续地处理洪水般的数据包。 Vanilla Linux 处理速度仅能达到约 1M pps （译注：单位 packet per seconds），这在我们的工作环境下是不够的，特别是网卡有能力处理大量的数据包。现代 10Gbps 网卡的处理能力通常至少达到 10M pps 。

    内核不给力

    我们做一个小实验来说明修改 Linux 确实是有必要的。我们看看理想状态下内核能处理多少数据包。把数据包传递到用户空间的代价是高昂的，让我们尝试一下在网络驱动程序收到数据包后就立刻丢弃它们。据我所知，Linux 上不修改内核丢弃数据包最快的方法是在 PREROUTING iptables 上设置一些丢弃规则。

    如上所示， Ethtool（译者注：Ethtool 是 Linux 下用于查询及设置网卡参数的命令）的统计显示，网卡能达到每秒接收 12M 数据包的速度。通过 ethtool -X 来操作网卡上的间接表，可以将所有的数据包引向 0 号 RX 队列。正如我们看到的，在一颗 CPU 上，内核处理队列的速度可以达到 1.4M pps。

    在单核上能达到 1.4M pps 是一个相当不错的结果，但不幸的是协议栈却不能扩展。当数据包被分配到多核上，这个成绩会急剧下降。让我们看看把数据包分到 4 个 RX 队列的结果。

    此时每个核的处理速度是 480k pps。这是个糟糕的消息。即使乐观地假设增加多个核心不会进一步地造成性能的下降，处理数据包的核心也要多达 20 个才能达到线速度。所以内核是不起作用的。

    内核旁路前来救驾

    CC BY 2.0 image by Matt Brown

    关于 Linux 内核网络性能的局限早已不是什么新鲜事了。在过去的几年中，人们多次尝试解决这个问题。最常用的技术包括创建特别的 API，来帮助高速环境下的硬件去接收数据包。不幸的是，这些技术总是在变动，至今没有出现一个被广泛采用的技术。

    这里列出一些广为人知的内核旁路技术。

    PACKET_MMAP

    Packet mmap 是 Linux 上的API，用来实现数据包快速嗅探。然而它不是严格意义上的内核旁路技术，它是技术列表中的一个特例 —— 可以在 Vanilla 内核上使用。

    PF_RING

    PF_RING 是另一个已知的技术，用来提升捕获数据包的速度。不像 packet_mmap，PF_RING 不在内核主线中，需要一些特殊模块。通过 ZC 驱动和把模式设置成 transparent_mode = 2（译者注：是 PF_RING 的一种模式），只把数据包传递给 PF_RING 客户端，而不会经过内核网络协议栈。由于内核比较缓慢，这样可以确保高速运转。

    Snabbswitch

    Snabbswitch 是一个 Lua 网络框架，主要用来写 L2 应用。它可以完全接管一个网卡，并且在用户空间实现硬件驱动。它在一个 PCI 设备上实现了用户空间 IO（UIO），把设备寄存器映射到 sysfs 上（译者注：sysfs 是 Linux 内核中设计较新的一种虚拟的基于内存的文件系统） 。这样就可以非常快地操作，但是这意味着数据包完全跳过了内核网络协议栈。

    DPDK

    DPDK 是一个用 C 语言实现的网络框架，专门为 Intel 芯片创建。它本质上和 snabbswitch 类似，因为它也是一个基于UIO 的完整框架。

    Netmap

    Netmap 也是一个丰富的网络框架，但是和 UIO 技术不同，它是由几个内核模块来实现的。为了和网络硬件集成在一起，用户需要给内核网络驱动打补丁。增加复杂性的最大好处是有一个详细文档说明的、设备厂商无关的和清晰的  API。

    由于内核旁路技术的目的是不再让内核处理数据包，所以我们排除了 packet_mmap。因为它不能接收数据包 —— 它只是一个嗅探数据包的快速接口。同样，没有 ZC 模块的 PF_RING 也没有什么吸引力，因为它的主要目标是加速 libpcap（译者注：libpcap是unix/linux平台下的网络数据包捕获函数包，大多数网络监控软件都以它为基础）。

    我们已经排除了两种技术，但很不幸的是，在余下的解决方案中，也没有我们能够使用的！

    让我告诉你原因。为了用 剩下的技术 实现内核旁路技术：Snabbswitch、DPDK 和 netmap 会接管整个网卡，不允许网卡的任何流量经过内核。我们在 CloudFlare，根本不可能让一个分担负载的应用程序独占整个网卡。

    话说回来，很多人使用上面的技术。在其他环境中占用一个网卡，来实现旁路也许是可以接受的。

    Solarflare 上的 EF_VI

    虽然上面列出的技术需要占用整个网卡，但还有其它的选择。

    Solarflare 网卡支持 OpenOnload，一个神奇的网卡加速器。它通过如下方式来实现内核旁路，在用户空间实现网络协议栈，并使用 LD_PRELOAD 覆盖目标程序的网络系统调用。在底层访问网卡时依靠 “EF_VI” 库。这个库可以直接使用并且有很好的说明文档。

    EF_VI 作为一个专用库，仅能用在 Solarflare 网卡上，你可能想知道它实际是如何工作的。 EF_VI 是以一种非常聪明的方式重新使用网卡的通用功能。

    在底层，每个 EF_VI 程序可以访问一条特定的 RX 队列，这条 RX 队列对内核不可见的。默认情况下，这个队列不接收数据，直到你创建了一个 EF_VI “过滤器”。这个过滤器只是一个隐藏的流控制规则。你用 ethtool -n 也看不到，但实际上这个规则已经存在网卡中了。对于 EF_VI 来说，除了分配 RX 队列并且管理流控制规则，剩下的任务就是提供一个API 让用户空间可以访问这个队列。

    分叉驱动

    虽然 EF_VI 是 Solarflare 所特有的，其他网卡还是可以复制这个技术。首先我们需要一个支持多队列的网卡，同时它还支持流控制和操作间接表。

    有了这些功能，我们可以：

    •  正常启动网卡，让内核来管理一切。
    •  修改间接表以确保没有数据包流向任一 RX 队列。比如说我们选择 16 号 RX 队列。
    •  通过流控制规则将一个特定的网络流引到 16号 RX 队列。

    完成这些，剩下的步骤就是提供一个用户空间的 API ，从 16 号 RX 队列上接收数据包，并且不会影响其他任何队列。

    这个想法在 DPDK 社区被称为“分叉驱动”。它们打算在  2014 年创建分叉驱动，不幸的是 这个补丁 还没进入内核的主线。

    虚拟化方法

    针对 intel 82599 还有另外一种选择。我们可以利用网卡上的虚拟化功能来实现内核旁路，而不需要通过分叉驱动程序。

    首先我简单说下背景。有结果证明，在虚拟化世界中将数据包从主机传递到客户机，虚拟机通常是瓶颈。因此，这些年对虚拟化性能的需求与日俱增，通过软件模拟网络硬件的仿真技术成为了影响性能的主要障碍。

    网卡厂商增加一些特性来加速虚拟客户端。其中一项虚拟化技术，要求网卡虚拟成多个 PCI 设备。虚拟客户端可以操作这些虚拟接口，无需与主机操作系统进行任何合作。我演示一下它是如何工作的。举个例子，这是我本机上的 82599 网卡。这个“真实的”设备被称为 PF（物理功能）接口：

    我们要求这个设备创建一个 VF（虚拟功能）设备：

    比如说一个 KVM 客户端很容易使用这个假的 PCI 设备。同时，我们还是能够使用主机环境。要做到这些仅需要加载 “ixgbevf” 内核模块，之后会出现另一个 “ethX” 接口。

    你或许想知道内核旁路技术干了什么。内核没有利用“ixgbevf”设备正常联网，我们可以把它专门用在内核旁路上。这样看起来可以在 “ixgbevf” 设备运行 DPDK。

    概括来说：这个想法可以让 PF 设备正常处理内核工作，而 VF 接口专门用在内核旁路技术上。由于 VF 是专用的，所以我们可以运行“接管整个网卡”的技术。

    这听起来似乎不错，实际上却没那么简单。首先，只有 DPDK 支持“ixgbevf”设备，netmap，snabbswtich 和 PF_RING 是不支持的。默认情况下， VF 接口不能接收任何数据包。若通过 PF 发送数据给 VF ，你需要给 ixgbe 打上这个补丁。有了它，你可以对 VF 进行寻址，即在ethtool中对“活动”“队列号的高位进行编码。

    最后一个障碍出现了，在 82599 芯片上启用 VF 功能，RSS 组的最大规模变小了（译者注：Really Simple Syndication，简易信息聚合）。没有虚拟化时，82599 可以在 16 个 CPU 核上进行 RSS 。但随着 VF 的启用，这个数量却变成了 4。如果 PF 上的流量比较低，只使用 4 个核来发布可能还好。不幸的是，我们在 Cloudflare 需要处理大规模的 RSS 组。

    结束语

    完成内核旁路技术没有那么简单。虽然存在很多开源的技术，但它们看起来都需要一块专用的的网卡。这里我们展示了 3 个可以选择的框架：

    •  类似 EF_VI， 隐藏 RX 队列
    •  DPDK 分叉驱动
    •  VF 技术

    不幸的是，在我们的环境下，这么多技术中能起作用的似乎只有 EF_VI。我们祈祷开源的内核旁路 API 赶紧出现，唯一的要求是不需要一块专用的网卡。
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