DPDK技术原理概述

DPDK 基本技术指标准的 DPDK 数据平面开发包和 I/O 转发实现技术，本次将概述该部分的主要技术原理。

1 技术原理与架构

由于采用软件转发和软件交换技术，单服务器内部的转发能力是 NFV 系统的主要性能瓶颈。在各类高速转发的 NFV 应用中，数据报文从网卡中接收，再传送到虚拟化的用户态应用程序（VNF）处理，整个过程要经历 CPU 中断处理、虚拟化 I/O 与地址映射转换、虚拟交换层、网络协议栈、内核上下文切换、内存拷贝等多个费时的 CPU 操作和 I/O 处理环节。

业内通常采用消除海量中断、旁路内核协议栈、减少内存拷贝、CPU 多核任务分担、Intel VT 等技术来综合提升服务器数据平面的报文处理性能，普通用户较难掌握。业界迫切需要一种综合的性能优化方案，同时提供良好的用户开发和商业集成环境，DPDK 加速技术方案成为其中的典型代表。

DPDK 是一个开源的数据平面开发工具集，提供了一个用户空间下的高效数据包处理库函数，它通过环境抽象层旁路内核协议栈、轮询模式的报文无中断收发、优化内存/缓冲区/ 队列管理、基于网卡多队列和流识别的负载均衡等多项技术，实现了在 x86 处理器架构下的高性能报文转发能力，用户可以在 Linux 用户态空间开发各类高速转发应用，也适合与各类商业化的数据平面加速解决方案进行集成。

英特尔在 2010 年启动了对 DPDK 技术的开源化进程，于当年 9 月通过 BSD 开源许可协议正式发布源代码软件包，为开发者提供支持。开源社区的参与者们大幅推进了 DPDK 的技术创新和快速演进，而今它已发展成为 SDN 和 NFV 的一项关键技术。

2 软件架构

DPDK 的组成架构如下图所示，相关技术原理概述如下：

DPDK组成结构

图中，在最底部的内核态（Linux Kernel）DPDK 有两个模块：KNI 与 IGB_UIO。其中，KNI 提供给用户一个使用 Linux 内核态的协议栈，以及传统的Linux 网络工具（如ethtool, ifconfig）。IGB_UIO（igb_uio.ko 和 kni.ko. IGB_UIO）则借助了 UIO 技术，在初始化过程中将网卡硬件寄存器映射到用户态。

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如图所示，DPDK 的上层用户态由很多库组成，主要包括核心部件库（Core Libraries）、平台相关模块(Platform)、网卡轮询模式驱动模块（PMD-Natives&Virtual）、QoS 库、报文转发分类算法（Classify）等几大类，用户应用程序可以使用这些库进行二次开发，下面分别简要介绍。

核心部件库

该模块构成的运行环境是建立在 Linux 上，通过环境抽象层(EAL)的运行环境进行初始化，包括：HugePage 内存分配、内存/缓冲区/队列分配与无锁操作、CPU 亲和性绑定等；其次，EAL 实现了对操作系统内核与底层网卡 I/O 操作的屏蔽（I/O 旁路了内核及其协议栈），为 DPDK 应用程序提供了一组调用接口，通过 UIO 或 VFIO 技术将 PCI 设备地址映射到用户空间，方便了应用程序调用，避免了网络协议栈和内核切换造成的处理延迟。另外，核心部件还包括创建适合报文处理的内存池、缓冲区分配管理、内存拷贝、以及定时器、环形缓冲区管理等。

平台相关模块

其内部模块主要包括 KNI、能耗管理以及 IVSHMEM 接口。其中，KNI 模块主要通过 kni.ko 模块将数据报文从用户态传递给内核态协议栈处理，以便用户进程使用传统的 socket 接口对相关报文进行处理；能耗管理则提供了一些API，应用程序可以根据收包速率动态调整处理器频率或进入处理器的不同休眠状态；另外，IVSHMEM 模块提供了虚拟机与虚拟机之间，或者虚拟机与主机之间的零拷贝共享内存机制，当 DPDK 程序运行时，IVSHMEM 模块会调用核心部件库 API，把几个 HugePage 映射为一个 IVSHMEM 设备池，并通过参数传递给 QEMU，这样，就实现了虚拟机之间的零拷贝内存共享。

轮询模式驱动模块

PMD 相关 API 实现了在轮询方式下进行网卡报文收发，避免了常规报文处理方法中因采用中断方式造成的响应延迟，极大提升了网卡收发性能。此外，该模块还同时支持物理和虚拟化两种网络接口，从仅仅支持 Intel 网卡，发展到支持 Cisco、Broadcom、Mellanox、Chelsio 等整个行业生态系统,以及基于 KVM、VMWARE、 XEN 等虚拟化网络接口的支持。

DPDK 还定义了大量 API 来抽象数据平面的转发应用，如 ACL、QoS、流分类和负载均衡等。并且，除以太网接口外，DPDK 还在定义用于加解密的软硬件加速接口（Extensions）。

3 大页技术

处理器的内存管理包含两个概念：物理内存和虚拟内存。Linux 操作系统里面整个物理内存按帧（frames）来进行管理，虚拟内存按照页（page）来进行管理。

内存管理单元（MMU）完成从虚拟内存地址到物理内存地址的转换。内存管理单元进行地址转换需要的信息保存在一个叫页表（page table）的数据结构里面，页表查找是一种极其耗时的操作。为了减少页表的查找过程，Intel 处理器实现了一块缓存来保存查找结果，这块缓存被称为 TLB（Translation Lookaside Buffer），它保存了虚拟地址到物理地址的映射关系。所有虚拟地址在转换为物理地址以前，处理器会首先在 TLB 中查找是否已经存在有效的映射关系，如果没有发现有效的映射，也就是 TLS miss，处理器再进行页表的查找。页表的查找过程对性能影响极大，因此需要尽量减少 TLB miss 的发生。x86 处理器硬件在缺省配置下，页的大小是 4K，但也可以支持更大的页表尺寸，例如2M 或 1G 的页表。使用了大页表功能后，一个 TLB 表项可以指向更大的内存区域，这样可以大幅减少 TLB miss 的发生。早期的 Linux 并没有利用x86 硬件提供的大页表功能，仅在 Linux 内核 2.6.33 以后的版本，应用软件才可以使用大页表功能，具体的介绍可以参见 Linux 的大页表文件系统（hugetlbfs）特性。

DPDK 则利用大页技术，所有的内存都是从 HugePage 里分配，实现对内存池(mempool) 的管理，并预先分配好同样大小的 mbuf，供每一个数据包使用。

4 轮询技术

传统网卡的报文接收/发送过程中，网卡硬件收到网络报文，或发送完网络报文后，需要发送中断到 CPU，通知应用软件有网络报文需要处理。在 x86 处理器上，一次中断处理需要将处理器的状态寄存器保存到堆栈，并运行中断服务程序，最后再将保存的状态寄存器信息从堆栈中恢复。整个过程需要至少 300 个处理器时钟周期。对于高性能网络处理应用，频繁的中断处理开销极大降低了网络应用程序的性能。

为了减少中断处理开销，DPDK 使用了轮询技术来处理网络报文。网卡收到报文后，直接将报文保存到处理器 cache 中（有 DDIO（Direct Data I/O）技术的情况下），或者保存到内存中（没有 DDIO 技术的情况下），并设置报文到达的标志位。应用软件则周期性地轮询报文到达的标志位，检测是否有新报文需要处理。整个过程中完全没有中断处理过程，因此应用程序的网络报文处理能力得以极大提升。

5 CPU亲和技术

现代操作系统都是基于分时调用方式来实现任务调度，多个进程或线程在多核处理器的某一个核上不断地交替执行。每次切换过程，都需要将处理器的状态寄存器保存在堆栈中，并恢复当前进程的状态信息，这对系统其实是一种处理开销。将一个线程固定一个核上运行，可以消除切换带来的额外开销。另外将进程或者线程迁移到多核处理器的其它核上进行运行时，处理器缓存中的数据也需要进行清除，导致处理器缓存的利用效果降低。

CPU 亲和技术，就是将某个进程或者线程绑定到特定的一个或者多个核上执行，而不被迁移到其它核上运行，这样就保证了专用程序的性能。

DPDK 使用了 Linux pthread 库，在系统中把相应的线程和 CPU 进行亲和性绑定, 然后相应的线程尽可能使用独立的资源进行相关的数据处理。

6 DPDK在AWCloud中的应用

DPDK（Data Plane Development Kit）数据平面开发工具集，为Intel architecture（IA）处理器架构下用户空间高效的数据包处理提供库函数和驱动的支持，它不同于Linux系统以通用性设计为目的，而是专注于网络应用中数据包的高性能处理。DPDK应用程序是运行在用户空间上利用自身提供的数据平面库来收发数据包，绕过了Linux内核协议栈对数据包处理过程。加速数据的处理，用户可以在用户空间定制协议栈，满足自己的应用需求。相对传统的基于内核的网络数据处理，DPDK对从内核层到用户层的网络数据流程进行了重大突破。

DPDK功能用于加速云主机和物理主机处理网络数据包的速度。配合大页内存和CPU Affinity等一系列技术，绕过系统对网络数据包处理的繁琐过程，提升网络性能。

云平台采用DPDK技术满足网络性能优化，如下图所示：