交換機(jī)、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常需要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)包。在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包處理是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)上，高效的數(shù)據(jù)包處理需要使用專門且昂貴的硬件，而數(shù)據(jù)平面開(kāi)發(fā)套件 ( DPDK )能在低成本商用硬件上做到這一點(diǎn)。通過(guò)使用商用硬件，還可以將網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)移到云端，并在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行它們。

DPDK最初是由 Intel 于2010年發(fā)起的，Intel 的 Venky Venkatesan 被稱為“ DPDK之父”。2017年4月，DPDK成為Linux基金會(huì)下的一個(gè)項(xiàng)目。目前，許多開(kāi)源項(xiàng)目已經(jīng)采用了DPDK，包括 MoonGen、mTCP、Ostinato、Lagopus、Fast Data (FD.io)、Open vSwitch、OPNFV 和 OpenStack。

| DPDK框架 當(dāng)然，DPDK也面臨著一些挑戰(zhàn)，包括無(wú)法支持某些網(wǎng)卡；對(duì) Windows 的支持有限；調(diào)試比較困難；版本兼容性問(wèn)題等。 01 DPDK如何改進(jìn)數(shù)據(jù)包處理？ 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包處理方式是數(shù)據(jù)包先到內(nèi)核最后再到用戶層進(jìn)行處理。這種方式會(huì)增加額外的延遲和CPU開(kāi)銷，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)包處理的性能。 DPDK 繞過(guò)內(nèi)核，在用戶空間中實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)包處理。它本質(zhì)上是一組網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和庫(kù)。環(huán)境抽象層 ( EAL ) 從應(yīng)用程序中抽象出特定于硬件的操作。下圖顯示了在數(shù)據(jù)包到達(dá)應(yīng)用程序之前，POSIX調(diào)用的傳統(tǒng)處理是如何通過(guò)內(nèi)核空間的。DPDK縮短了這條路徑，并直接在NIC和用戶空間應(yīng)用程序之間移動(dòng)數(shù)據(jù)包。

傳統(tǒng)的處理是中斷驅(qū)動(dòng)的，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，NIC會(huì)中斷內(nèi)核。DPDK轉(zhuǎn)而使用輪詢，避免了與中斷相關(guān)的開(kāi)銷。這是由輪詢模式驅(qū)動(dòng)程序 ( PMD ) 執(zhí)行的。另一個(gè)重要的優(yōu)化是零拷貝。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包從內(nèi)核空間的套接字緩沖區(qū)復(fù)制到用戶空間。DPDK避免了這種情況。 DPDK的用戶空間對(duì)開(kāi)發(fā)人員很有吸引力，因?yàn)椴恍枰薷膬?nèi)核。任何基于DPDK 的網(wǎng)絡(luò)堆棧都可以針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

02 DPDK采用的數(shù)據(jù)包處理模型是什么？

大致有兩種處理模型：

# Run-to-Completion

CPU內(nèi)核處理數(shù)據(jù)包的接收、處理和傳輸。可以使用多個(gè)內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核與專用端口關(guān)聯(lián)。通過(guò)接收端擴(kuò)展 ( RSS )，到達(dá)單個(gè)端口的流量可以分配到多個(gè)內(nèi)核。

# Pipeline

每個(gè)內(nèi)核專用于特定的工作負(fù)載。例如，一個(gè)內(nèi)核可能處理數(shù)據(jù)包的接收/傳輸，而其他內(nèi)核則負(fù)責(zé)應(yīng)用程序處理。數(shù)據(jù)包通過(guò)memory rings在內(nèi)核之間傳遞。

對(duì)于單核多CPU部署，一個(gè)CPU分配給操作系統(tǒng)，另一個(gè)分配給基于DPDK的應(yīng)用程序。對(duì)于多核部署，無(wú)論是否使用超線程，都可以為每個(gè)端口分配多個(gè)內(nèi)核。 決定使用哪種模型取決于處理每個(gè)數(shù)據(jù)包所需的周期、跨軟件模塊的數(shù)據(jù)交換范圍、某些內(nèi)核的特定優(yōu)化、代碼可維護(hù)性等。

03 DPDK是否需要TCP / IP堆棧才能工作？

DPDK不包括TCP / IP堆棧。如果應(yīng)用程序需要用戶空間網(wǎng)絡(luò)堆棧，可以使用 F-Stack、mTCP、TLDK、Seastar 和 ANS 。它們通常提供阻塞和非阻塞套接字API，其中一些是基于 FreeBSD 實(shí)現(xiàn)的。 由于省略了網(wǎng)絡(luò)堆棧，DPDK不會(huì)出現(xiàn)通用實(shí)現(xiàn)的低效率問(wèn)題。應(yīng)用程序可以包括針對(duì)其用例進(jìn)行優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)模塊，也可能存在一些不需要更高層（L2 以上）處理的用例。

04 在DPDK之前，廠商如何實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)包處理？

在DPDK之前，有專門的硬件可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)包處理。此類硬件可能使用定制的 ASIC、可編程 FPGA 或網(wǎng)絡(luò)處理單元 ( NPU )，這些專用硬件以優(yōu)化的方式完成數(shù)據(jù)包分類、流量控制、TCP / IP處理、加/解密、VLAN標(biāo)記等任務(wù)。 然而，此類硬件的購(gòu)買和維護(hù)成本昂貴。升級(jí)和安全補(bǔ)丁的應(yīng)用非常耗時(shí)，并且需要全職的網(wǎng)絡(luò)管理員。一種解決方案是從專用硬件轉(zhuǎn)向商用現(xiàn)成 ( COTS ) 硬件。雖然這更具成本效益且更易于維護(hù)，但性能卻受到了影響。數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡 ( NIC ) 移動(dòng)到操作系統(tǒng) ( OS )，并通過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)核堆棧進(jìn)行處理。即使使用快速NIC，內(nèi)核堆棧也是一個(gè)瓶頸。系統(tǒng)調(diào)用、中斷、上下文切換、包復(fù)制和逐包處理都會(huì)降低性能。 DPDK解決了COTS硬件上的性能問(wèn)題，無(wú)需昂貴的定制硬件即可獲得高效的數(shù)據(jù)包處理。

05 業(yè)界誰(shuí)在使用DPDK？ 負(fù)載均衡、流分類、路由、訪問(wèn)控制（防火墻）和流量監(jiān)管是DPDK的典型用途。DPDK不僅適用于電信行業(yè)，也已在云環(huán)境和企業(yè)中使用。流量生成器 (TRex) 和存儲(chǔ)應(yīng)用(SPDK) 使用DPDK。下圖列出了DPDK支持的開(kāi)源項(xiàng)目。

Open vSwitch ( OVS ) 移植到DPDK后表現(xiàn)出了 7 倍的性能提升。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包很小，DPDK減少了延遲并允許每秒處理更多此類數(shù)據(jù)包。 在 5G 中，用戶平面功能 ( UPF ) 處理用戶數(shù)據(jù)包。延遲、抖動(dòng)和帶寬是需要滿足的關(guān)鍵性能指標(biāo)。一些研究人員已經(jīng)提出將DPDK用于5G UPF的實(shí)現(xiàn)。在邊緣網(wǎng)絡(luò)部署UPF時(shí)， 可以使用DPDK API連接UPF應(yīng)用 ( UPF -C) 和 SmartNIC ( UPF -U)。

06 DPDK面臨哪些挑戰(zhàn)？ DPDK需要一定的專業(yè)知識(shí)，開(kāi)發(fā)人員需要學(xué)習(xí)DPDK的編程模型。他們需要知道如何管理內(nèi)存、如何在不復(fù)制的情況下傳遞數(shù)據(jù)包，以及如何使用多核架構(gòu)。 例如，PID 命名空間可能會(huì)導(dǎo)致管理fbarray出現(xiàn)問(wèn)題；使用mmap而不指定地址的進(jìn)程可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題；線程必須正確分配給CPU內(nèi)核，才能獲得一致的性能；此外，DPDK庫(kù)還給開(kāi)發(fā)人員提供了多種實(shí)現(xiàn)選擇，選擇錯(cuò)誤會(huì)影響性能。 由于繞過(guò)了內(nèi)核，失去了Linux 內(nèi)核提供的所有保護(hù)、實(shí)用程序（ ifconfig、tcpdump）和協(xié)議（ARP 、IPSec）。調(diào)試和確定網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的根本原因也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。最后，由于使用輪詢而不是中斷，因此即使只處理幾個(gè)數(shù)據(jù)包，DPDK也會(huì)導(dǎo)致 100% 的CPU使用率。

07 還有哪些替代選擇？

使用 Snabbswitch、Netmap 或 StackMap 可以通過(guò)內(nèi)核旁路實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)包處理。與DPDK一樣，它們?cè)谟脩艨臻g中處理數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包完全繞過(guò)內(nèi)核堆棧。Snabbswitch 是用 Lua 編寫的，而DPDK是用 C 編寫的。PacketShader 對(duì)基于GPU的硬件進(jìn)行內(nèi)核旁路。 另一種方法是修改 Linux 內(nèi)核。例如 eXpress Data Path ( XDP ) 和基于遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(wèn) ( RDMA ) 的網(wǎng)絡(luò)堆棧。其他有效的工具還包括 packet_mmap （但不會(huì)繞過(guò)內(nèi)核）和 PF_RING （帶有 ZC 驅(qū)動(dòng)程序）。 推薦閱讀點(diǎn)擊標(biāo)題可跳轉(zhuǎn)

審核編輯：黃飛