Intel HDSLB 高性能四层负载均衡器 — 代码剖析和高级特性

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云物互联 发表于 2024/06/16 16:30:35 2024/06/16
【摘要】 DVPS 本身就已经是一个足够优秀的数据面项目,HDSLB 更是在其基础上叠加了 Intel 多年积累的软硬件融合加速技术。难能可贵的是,HDSLB 不仅仅满足于作为一个研究项目,而是针对大象流此类在生产环境中存在的典型问题,给出了一个完整可落地的解决方案。这一点非常值得大多数开源项目学习!

前言

在前 2 篇文章中,我们从快速入门、应用场景、基本原理、部署配置这 4 个方面,整体地介绍了 Intel HDSLB 作为新一代高性能四层负载均衡器的研发背景、解决方案以及性能优势,并通过 step by step 的方式,希望帮助更多的读者能够便捷地在自己的开发机运行和使用起来。在本篇中,我们将继续向前,对 HDSLB-DPVS 开源版本的代码进行剖析,并介绍其中一些有趣的高级特性。

  1. Intel HDSLB 高性能四层负载均衡器 — 快速入门和应用场景
  2. Intel HDSLB 高性能四层负载均衡器 — 基本原理和部署配置

代码剖析

下载代码:

git clone https://github.com/intel/high-density-scalable-load-balancer.git

软件架构

上图是 HDSLB 的软件架构图,自上而下的可以分为下述 5 个层面。

  1. Control Plane 控制面层:依旧沿用了 LVS 的控制面,实现了下列 3 个 CLI 工具,使用了 Local unix socket 通信机制:

    1. ipvsadm:用于管理 ipvs 的配置。
    2. dpip:用于设置 VIP、RIP 和相关的 Route 规则。
    3. keepalive:用于 HA 和 RS 健康检查。
  2. Load Balancer 负载均衡层:实现了 scheduler 流量调度、proto 四层协议、conn 连接跟踪、FastPath 等功能模块。尤其是 FastPath 快慢路径分离是 HDSLB 对 DPVS 的核心优化之一。

  3. Lite IP-Stack 层:实现了 ARP / IPv4v6 / ICMP 等 L2-3 层网络协议、以及 inetaddr 和 L3 routing 等功能模块。

  4. Net Devices 层:实现了物理网卡纳管、bonding、VLAN、KNI、TC 流量控制,hw-addr-list 地址列表等功能模块。

  5. Hardware Acceleration 层:提供了 Intel CPU 和 NIC 硬件级别的加速技术,包括:FDIR mark、FDIR to queue、RSS、Checksum offload、AVX512、DLB、SR-IOV 等等。

目录结构

$ high-density-scalable-load-balancer git:(main) tree -L 2
.
├── Makefile
├── conf  # 配置示例目录
│   ├── hdslb.bond.conf.sample
│   ├── hdslb.conf.items
│   ├── hdslb.conf.sample
│   ├── hdslb.conf.single-bond.sample
│   └── hdslb.conf.single-nic.sample
├── include  # 头文件库目录
│   ├── cfgfile.h
│   ├── common.h
│   ├── conf
│   ├── ctrl.h
│   ├── dpdk.h
│   ├── flow.h
│   ├── global_conf.h
│   ├── icmp.h
│   ├── icmp6.h
│   ├── inet.h
│   ├── inetaddr.h
│   ├── ip_tunnel.h
│   ├── ipset.h
│   ├── ipv4.h
│   ├── ipv4_frag.h
│   ├── ipv6.h
│   ├── ipvs
│   ├── kni.h
│   ├── laddr_multiply.h
│   ├── lb
│   ├── linux_ipv6.h
│   ├── list.h
│   ├── log.h
│   ├── match.h
│   ├── mbuf.h
│   ├── md5.h
│   ├── mempool.h
│   ├── ndisc.h
│   ├── neigh.h
│   ├── netif.h
│   ├── netif_addr.h
│   ├── parser
│   ├── pidfile.h
│   ├── route.h
│   ├── route6.h
│   ├── route6_hlist.h
│   ├── route6_lpm.h
│   ├── sa_pool.h
│   ├── sys_time.h
│   ├── tc
│   ├── timer.h
│   ├── uoa.h
│   └── vlan.h
├── patch  # DPDK 补丁目录
│   ├── dpdk-16.07
│   ├── dpdk-20.08
│   ├── dpdk-stable-17.05.2
│   ├── dpdk-stable-17.11.2
│   └── dpdk-stable-19.11
├── scripts  # 运维脚本目录
│   ├── ipvs-tunnel.rs.deploy.sh
│   ├── setup.fnat.two-arm.sample.sh
│   ├── setup.snat-gre.sample.sh
│   ├── setup.snat.sample.sh
│   └── setup.tc.sample.sh
├── src  # 核心源码目录
│   ├── Makefile
│   ├── VERSION
│   ├── cfgfile.c
│   ├── common.c
│   ├── config.mk
│   ├── ctrl.c
│   ├── dpdk.mk
│   ├── global_conf.c
│   ├── icmp.c
│   ├── inet.c
│   ├── inetaddr.c
│   ├── ip_gre.c
│   ├── ip_tunnel.c
│   ├── ipip.c
│   ├── ipset.c
│   ├── ipv4.c
│   ├── ipv4_frag.c
│   ├── ipv6
│   ├── ipvs  # ipvs 业务逻辑实现目录
│   ├── kni.c
│   ├── laddr_multiply.c
│   ├── lb    # lb 转发逻辑实现目录
│   ├── log.c
│   ├── main.c
│   ├── mbuf.c
│   ├── mempool.c
│   ├── neigh.c
│   ├── netif.c
│   ├── netif_addr.c
│   ├── parser.c
│   ├── pidfile.c
│   ├── route.c
│   ├── sa_pool.c
│   ├── sys_time.c
│   ├── tc
│   ├── timer.c
│   └── vlan.c
└── tools  # 工具库目录
    ├── Makefile
    ├── dpip
    ├── ipvsadm
    ├── keepalived
    └── lbdebug

配置解析

  1. global_defs 全局配置模块:指定日志级别,日志路径等。
! global config
global_defs {
    log_level   DEBUG # 方便调试
    ! log_file    /var/log/hdslb.log
    ! log_async_mode    on
}
  1. netif_defs 网卡设备配置模块
    1. pktpool 指定 DPDK memory/cache pool 的大小。
    2. device 指定 DPDK 网卡设备。
    3. tx/rx 指定 DPDK 网卡设备的硬件队列数。
    4. bonding 指定 DPDK 网卡绑定。
    5. kni 指定 DPDK 网卡设备对应的 kni 虚拟网络接口设备。DPDK 程序会将物理网卡设备纳管,流量 bypass 内核,如果其它程序,比如 ssh 想使用网络接口,则需要通过 kni 模块来提供虚拟网络接口,DPDK 程序会将不感兴趣的流量送到内核。
    6. RSS(Receive Side Scaling):指定网卡设备的接受多队列和多核处理器的映射关系,充分利用网卡多队列和多核处理器的技术优势,提高网络吞吐量和数据包处理效率。
    7. FDIR(Flow Director):指定网卡设备的流量识别和分类模式,提高对老鼠流量、大象流量等特定流量的处理效率。
! netif config
netif_defs {
    <init> pktpool_size     1048575
    <init> pktpool_cache    256
    <init> device dpdk0 {
        rx {
            queue_number        3
            descriptor_number   1024
            ! rss                 all
        }
        tx {
            queue_number        3
            descriptor_number   1024
        }
        fdir {
            mode                perfect
            pballoc             64k
            status              matched
        }
        ! promisc_mode
        kni_name                dpdk0.kni
    }
    ! <init> bonding bond0 {
    !    mode        0
    !    slave       dpdk0
    !    slave       dpdk1
    !    primary     dpdk0
    !    kni_name    bond0.kni
    !}
}
  1. worker_defs 工作核心配置:DPDK 将 CPU 抽象为 lcore,有 master、slave 两种类型。通常的,master 做 Control Plane 处理,而 slave 作为 Data Plane 处理。每个 lcore 可以负责多个网卡设备的多个队列。另外,DPDK 将网卡设备抽象为 Port,rx_queue_ids 和 tx_queue_ids 分别是接收和发送的队列编号。其中 isol_rx_cpu_ids 表示当前 lcore 专职负责接收数据,isol_rxq_ring_sz 专职接收数据的 ring buffer 大小。
! worker config (lcores)
worker_defs {
    # control plane CPU
    <init> worker cpu0 {
        type    master
        cpu_id  0
    }
    # data plane CPU
    # dpdk0、1 这 2 个 Port 的同一个收发队列共用同一个 CPU
    <init> worker cpu1 {
        type    slave
        cpu_id  1
        port    dpdk0 {
            rx_queue_ids     0
            tx_queue_ids     0
            ! isol_rx_cpu_ids  9
            ! isol_rxq_ring_sz 1048576
        }
        port    dpdk1 {
            rx_queue_ids     0
            tx_queue_ids     0
            ! isol_rx_cpu_ids  9
            ! isol_rxq_ring_sz 1048576
        }
    }
}
  1. timer_defs 定时器配置
! timer config
timer_defs {
    # cpu job loops to schedule dpdk timer management
    schedule_interval    500
}
  1. neight_defs 邻居子系统配置:Lite IP-Stack 包括 L3 Route 子系统和 L2 Neighbor 子系统。
! hdslb neighbor config
neigh_defs {
    <init> unres_queue_length  128
    <init> timeout             60
}
  1. ipv4/v6_defs 三层网络配置
! hdslb ipv4 config
ipv4_defs {
    forwarding                 off
    <init> default_ttl         64
    fragment {
        <init> bucket_number   4096
        <init> bucket_entries  16
        <init> max_entries     4096
        <init> ttl             1
    }
}

! hdslb ipv6 config
ipv6_defs {
    disable                     off
    forwarding                  off
    route6 {
        <init> method           hlist
        recycle_time            10
    }
}
  1. ctrl_defs 控制面配置:使用 Local unix socket 通信方式。
! control plane config
ctrl_defs {
    lcore_msg {
        <init> ring_size                4096
        sync_msg_timeout_us             30000000
        priority_level                  low
    }
    ipc_msg {
        <init> unix_domain /var/run/hdslb_ctrl
    }
}
  1. ipvs_defs 核心配置
    1. conn 指定用于维护网络 conntrack 连接跟踪表资源的相关配置。
    2. udp/tcp 协议处理配置。
    3. synproxy 是与 TCP SYN flood 相关的配置。
! ipvs config
ipvs_defs {
    conn {
        <init> conn_pool_size       2097152
        <init> conn_pool_cache      256
        conn_init_timeout           30
        ! expire_quiescent_template
        ! fast_xmit_close
        ! <init> redirect           off
    }

    udp {
        ! defence_udp_drop
        uoa_mode        opp
        uoa_max_trail   3
        timeout {
            normal      300
            last        3
        }
    }

    tcp {
        ! defence_tcp_drop
        timeout {
            none        2
            established 90
            syn_sent    3
            syn_recv    30
            fin_wait    7
            time_wait   7
            close       3
            close_wait  7
            last_ack    7
            listen      120
            synack      30
            last        2
        }
        synproxy {
            synack_options {
                mss             1452
                ttl             63
                sack
                ! wscale
                ! timestamp
            }
            ! defer_rs_syn
            rs_syn_max_retry    3
            ack_storm_thresh    10
            max_ack_saved       3
            conn_reuse_state {
                close
                time_wait
                ! fin_wait
                ! close_wait
                ! last_ack
           }
        }
    }
}
  1. FDIR sa_pool 配置
! sa_pool config
sa_pool {
    pool_hash_size   16
}

启动流程分析

  1. 程序入口
high-density-scalable-load-balancer/src/main.c main(int argc, char *argv[])
  1. NUMA 节点数量检查
    if (get_numa_nodes() > DPVS_MAX_SOCKET) {
        fprintf(stderr, "DPVS_MAX_SOCKET is smaller than system numa nodes!\n");
        return -1;
    }
  1. CPU 亲和性设定:NUMA 亲和和 CPU 绑定是 DPDK 程序的一大特性。
    if (set_all_thread_affinity() != 0) {
        fprintf(stderr, "set_all_thread_affinity failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
  1. 初始化 RTE 运行时环境:完成 DPDK 运行时环境的基础配置,详情请浏览《DPDK — EAL 环境抽象层
    err = rte_eal_init(argc, argv);
    if (err < 0)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL parameters\n");
    argc -= err, argv += err;
  1. 进入 HDSLB 核心业务流程
    RTE_LOG(INFO, DPVS, "HDSLB version: %s, build on %s\n", HDSLB_VERSION, HDSLB_BUILD_DATE);
  1. 初始化配置解析器:加载并解析 hdslb.conf 配置文件。
    if ((err = cfgfile_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail init configuration file: %s\n",
                 dpvs_strerror(err));

  1. bond 虚拟接口配置:如果配置文件中没有 bond 则不做处理。
    if ((err = netif_virtual_devices_add()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail add virtual devices:%s\n",
                 dpvs_strerror(err));

  1. 初始化 lcore 定时器:每个 lcore 都有自己的定时器,底层通过调用 timer_lcore_init 完成初始化,用于实现 conn 老化等业务逻辑。
    if ((err = dpvs_timer_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail init timer on %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 traffic control 流控模块
    if ((err = tc_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init traffic control: %s\n",
                 dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 DPDK 网卡设备:Data Plane 的核心 jobs 处理函数在这里被注册,netif_init->netif_lcore_init 函数中会注册 3 个 NETIF_LCORE_JOB_LOOP。
    if ((err = netif_init(NULL)) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init netif: %s\n", dpvs_strerror(err));
    /* Default lcore conf and port conf are used and may be changed here
     * with "netif_port_conf_update" and "netif_lcore_conf_set" */
  1. 初始化 ctrl 和 tc_ctrl 控制面接口:ctrl_init->msg_init 会注册 1 个 NETIF_LCORE_JOB_LOOP。
    if ((err = ctrl_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init ctrl plane: %s\n",
                 dpvs_strerror(err));

    if ((err = tc_ctrl_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init tc control plane: %s\n",
                 dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 L2 VLAN 网络
    if ((err = vlan_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init vlan: %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 TCPv4 网络:inet_init 注册了一系列的 NETIF_LCORE_JOB_XXX,L4 LB 的核心。
    if ((err = inet_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init inet: %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 FDIR 的 sa_pool
    if ((err = sa_pool_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init sa_pool: %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 Tunnel:如果配置文件中没有启动 IP tunnel 模式则不做处理。
    if ((err = ip_tunnel_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init tunnel: %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化原始 lvs 的功能:包括注册处理 IPv4 包的钩子函数 dp_vs_in 和 dp_vs_pre_routing。
    if ((err = dp_vs_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init ipvs: %s\n", dpvs_strerror(err));
  1. 初始化 netif_ctrl 控制面接口
    if ((err = netif_ctrl_init()) != EDPVS_OK)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Fail to init netif_ctrl: %s\n",
                 dpvs_strerror(err));
  1. 启动 DPDK 网络设备:包括 Port、rx/tx queues、cpu binding 等等。
    /* config and start all available dpdk ports */
    nports = rte_eth_dev_count_avail();
    for (pid = 0; pid < nports; pid++) {
        dev = netif_port_get(pid);
        if (!dev) {
            RTE_LOG(WARNING, DPVS, "port %d not found\n", pid);
            continue;
        }

        err = netif_port_start(dev);
        if (err != EDPVS_OK)
            rte_exit(EXIT_FAILURE, "Start %s failed, skipping ...\n",
                    dev->name);

    }
  1. 启动数据面处理:rte_eal_mp_remote_launch 在每个 slave lcore 调用 netif_loop 进入工作线程的永循环。
// src/main.c
    /* start data plane threads */
    netif_lcore_start();

// src/netif.c
int netif_lcore_start(void)
{
    rte_eal_mp_remote_launch(netif_loop, NULL, SKIP_MASTER);
    return EDPVS_OK;
}

// src/netif.c
static int netif_loop(void *dummy)
  1. 启动控制面处理:进入 master 主线程的永循环。
    /* start control plane thread */
    while (1) {
        /* reload configuations if reload flag is set */
        try_reload();
        /* IPC loop */
        sockopt_ctl(NULL);
        /* msg loop */
        msg_master_process(0);
        /* timer */
        now_cycles = rte_get_timer_cycles();
        if ((now_cycles - prev_cycles) * 1000000 / cycles_per_sec > timer_sched_interval_us) {
            rte_timer_manage();
            prev_cycles = now_cycles;
        }
        /* kni */
        kni_process_on_master();

        /* process mac ring on master */
        neigh_process_ring(NULL, 0);

        /* increase loop counts */
        netif_update_master_loop_cnt();
    }

数据面 jobs 注册

前文提到,在 main 的 init 初始化流程中,会注册一系列的数据面的 jobs,并存储在全局变量 netif_lcore_jobs 中。这些 jobs 的本质是一个函数引用,在处理报文时会在不同的环节被调用。

  1. main->netif_init->netif_lcore_init 注册了 3 个 NETIF_LCORE_JOB_LOOP:
    1. lcore_job_recv_fwd
    2. lcore_job_xmit
    3. lcore_job_timer_manage
static void netif_lcore_init(void)
{
......
    /* register lcore jobs*/
    snprintf(netif_jobs[0].name, sizeof(netif_jobs[0].name) - 1, "%s", "recv_fwd");
    netif_jobs[0].func = lcore_job_recv_fwd;
    netif_jobs[0].data = NULL;
    netif_jobs[0].type = NETIF_LCORE_JOB_LOOP;
    
    snprintf(netif_jobs[1].name, sizeof(netif_jobs[1].name) - 1, "%s", "xmit");
    netif_jobs[1].func = lcore_job_xmit;
    netif_jobs[1].data = NULL;
    netif_jobs[1].type = NETIF_LCORE_JOB_LOOP;
    
    snprintf(netif_jobs[2].name, sizeof(netif_jobs[2].name) - 1, "%s", "timer_manage");
    netif_jobs[2].func = lcore_job_timer_manage;
    netif_jobs[2].data = NULL;
    netif_jobs[2].type = NETIF_LCORE_JOB_LOOP;
}
  1. main->ctrl_init->msg_init 注册了 1 个 NETIF_LCORE_JOB_LOOP。
    1. slave_lcore_loop_func
    /* register netif-lcore-loop-job for Slaves */
    snprintf(ctrl_lcore_job.name, sizeof(ctrl_lcore_job.name) - 1, "%s", "slave_ctrl_plane");
    ctrl_lcore_job.func = slave_lcore_loop_func;
    ctrl_lcore_job.data = NULL;
    ctrl_lcore_job.type = NETIF_LCORE_JOB_LOOP;
  1. main->inet_init->ipv4_init->ipv4_frag_init 注册了 1 个 NETIF_LCORE_JOB_SLOW。
    1. ipv4_frag_job
    snprintf(frag_job.name, sizeof(frag_job.name) - 1, "%s", "ipv4_frag");
    frag_job.func = ipv4_frag_job;
    frag_job.data = NULL;
    frag_job.type = NETIF_LCORE_JOB_SLOW;
    frag_job.skip_loops = IP4_FRAG_FREE_DEATH_ROW_INTERVAL;
  1. main->inet_init -> neigh_init -> arp_init 也注册了 NETIF_LCORE_JOB_SLOW。
    1. neigh_process_ring
    /*get static arp entry from master*/
    snprintf(neigh_sync_job.name, sizeof(neigh_sync_job.name) - 1, "%s", "neigh_sync");
    neigh_sync_job.func = neigh_process_ring;
    neigh_sync_job.data = NULL;
    neigh_sync_job.type = NETIF_LCORE_JOB_SLOW;
    neigh_sync_job.skip_loops = NEIGH_PROCESS_MAC_RING_INTERVAL;

实际上,还有其他的 NETIF_LCORE_JOB_XXX 没有列出来,此处先不作展开。这些 jobs 都会在 netif_loop 中被调用,用于完成数据面的收包、处理、转发工作。

数据面 jobs 执行

netif_lcore_jobs 作为数据面的处理逻辑,采用了类似 Kernel netfilter 的 chain 链式处理模式。在 netif_loop 中 jobs 函数的调用顺序为: lcore_job_recv_fwd -> lcore_job_xmit -> lcore_job_timer_manage -> slave_lcore_loop_func -> ipv4_frag_job -> neigh_process_ring。

static int netif_loop(void *dummy)
{
    struct netif_lcore_loop_job *job;
    // 获取当前 lcore id
    lcoreid_t cid = rte_lcore_id();
    enum netif_principal_status stat = NETIF_PRINCIPAL_STAT_IDLE;
    lb_cycle_t deadline;
    int ret;

    assert(LCORE_ID_ANY != cid);

 // lcore 是否配置为了 isol_rx_cpu_ids 专职收包?是则永循环,否则继续。
 // 此处的设计思想是将收包和处理包的 Core 分离,增加网卡的吞吐能力吧。
    try_isol_rxq_lcore_loop();
    if (0 == lcore_conf[lcore2index[cid]].nports) {
     // 没有 lcore 对应的 port
        RTE_LOG(INFO, NETIF, "[%s] Lcore %d has nothing to do.\n", __func__, cid);
        return EDPVS_IDLE;
    }

 // 首先,立即运行 lcore 中注册的 NETIF_LCORE_JOB_INIT 任务
    list_for_each_entry(job, &netif_lcore_jobs[NETIF_LCORE_JOB_INIT], list) {
        do_lcore_job(job, 0);
    }

    while (1) {
        lcore_stats[cid].lcore_loop++;
        deadline = lcore_timer_hz_cycle() + rte_rdtsc();

  // 运行 lcore 中注册的 NETIF_LCORE_JOB_HIGH 任务       
        do {       
            list_for_each_entry(job, &netif_lcore_jobs[NETIF_LCORE_JOB_HIGH], list) {
                ret = do_lcore_job(job, 0);
                if (ret) {
                    stat = ret;
                }
            }
        } while (stat == NETIF_PRINCIPAL_STAT_FULL && rte_rdtsc() < deadline);

  // 运行 lcore 中注册的 NETIF_LCORE_JOB_LOOP 任务
        list_for_each_entry(job, &netif_lcore_jobs[NETIF_LCORE_JOB_LOOP], list) {
            do_lcore_job(job, stat);
        }
        
  // 每隔一定时间,运行 lcore 中注册的 NETIF_LCORE_JOB_SLOW 任务        
        ++netif_loop_tick[cid];
        list_for_each_entry(job, &netif_lcore_jobs[NETIF_LCORE_JOB_SLOW], list) {
            if (netif_loop_tick[cid] % job->skip_loops == 0) {
                do_lcore_job(job, stat);
                //netif_loop_tick[cid] = 0;
            }
        }

  // 运行 lcore 中注册的 NETIF_LCORE_JOB_IDLE 任务       
        if (is_lcore_idle(cid)) {
            /* TODO NETIF_PRINCIPAL_STAT_IDLE == stat is strict, consider lcore_stats[cid].opackets */
            list_for_each_entry(job, &netif_lcore_jobs[NETIF_LCORE_JOB_IDLE], list) {
                do_lcore_job(job, stat);
            }
            rec_lcore_tx_idle_credit(cid);
        } else {
            inc_lcore_tx_idle_credit(cid);
        }
    }
    return EDPVS_OK;
}

转发流程分析

下面以 lcore_job_recv_fwd job 为例分析数据面的转发处理流程。

收包阶段

lcore_job_recv_fwd 收包。

static int lcore_job_recv_fwd(void *arg __rte_unused, int high_stat __rte_unused)
{
    int i, j;
    portid_t pid;
    lcoreid_t cid;
    uint32_t nic_type;
    struct netif_queue_conf *qconf;
    enum netif_principal_status stat = NETIF_PRINCIPAL_STAT_IDLE;

    cid = rte_lcore_id();
    assert((LCORE_ID_ANY != cid) && cid < DPVS_MAX_LCORE);

    for (i = 0; i < lcore_conf[lcore2index[cid]].nports; i++) {
        pid = lcore_conf[lcore2index[cid]].pqs[i].id;
        nic_type = lcore_conf[lcore2index[cid]].pqs[i].nic_type;
        assert(pid <= bond_pid_end);

        for (j = 0; j < lcore_conf[lcore2index[cid]].pqs[i].nrxq; j++) {
            qconf = &lcore_conf[lcore2index[cid]].pqs[i].rxqs[j];

   // 从 arp_ring 获取 arp 报文
            lcore_process_arp_ring(qconf, cid);
            lcore_process_redirect_ring(qconf, cid);
            qconf->len = netif_rx_burst(pid, qconf, nic_type);

            stat = lcore_update_rx_principal_status(qconf->len, stat);
            lcore_stats_burst(&lcore_stats[cid], qconf->len);

            lcore_process_marked_flow(qconf);
            lcore_stats[cid].impackets += qconf->marked_cnt;
            lb_redirect_ring_proc(qconf, cid);

   // 读取网卡队列数据之后,调用 lcore_process_packets 对数据包进行处理。
            lcore_process_packets(qconf, qconf->mbufs, cid, qconf->len, 0);
            kni_send2kern_loop(pid, qconf);
        }
    }

    return stat;
}

L2 处理阶段

lcore_process_packets 处理 L2 报文。

void lcore_process_packets(struct netif_queue_conf *qconf, struct rte_mbuf **mbufs,
                      lcoreid_t cid, uint16_t count, bool pkts_from_ring)
{
......
    /* L2 filter */
    for (i = 0; i < count; i++) {
        struct rte_mbuf *mbuf = mbufs[i];
        struct netif_port *dev;

        if (t < count) {
            rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(mbufs[t], void *));
            t++;
        }

        dev = netif_port_get(mbuf->port);
        if (unlikely(!dev)) {
            rte_pktmbuf_free(mbuf);
            lcore_stats[cid].dropped++;
            continue;
        }
        if (dev->type == PORT_TYPE_BOND_SLAVE) {
            dev = dev->bond->slave.master;
            mbuf->port = dev->id;
        }

        eth_hdr = rte_pktmbuf_mtod(mbuf, struct rte_ether_hdr *);
        /* reuse mbuf.packet_type, it was RTE_PTYPE_XXX */
        mbuf->packet_type = eth_type_parse(eth_hdr, dev);

        /*
         * In NETIF_PORT_FLAG_FORWARD2KNI mode.
         * All packets received are deep copied and sent to  KNI
         * for the purpose of capturing forwarding packets.Since the
         * rte_mbuf will be modified in the following procedure,
         * we should use mbuf_copy instead of rte_pktmbuf_clone.
         */
        if (dev->flag & NETIF_PORT_FLAG_FORWARD2KNI) {
            if (likely(NULL != (mbuf_copied = mbuf_copy(mbuf,
                                pktmbuf_pool[dev->socket]))))
                kni_ingress(mbuf_copied, dev, qconf);
            else
                RTE_LOG(WARNING, NETIF, "%s: Failed to copy mbuf\n",
                        __func__);
        }

        /*
         * do not drop pkt to other hosts (ETH_PKT_OTHERHOST)
         * since virtual devices may have different MAC with
         * underlying device.
         */

        /*
         * handle VLAN
         * if HW offload vlan strip, it's still need vlan module
         * to act as VLAN filter.
         */
        if (eth_hdr->ether_type == htons(ETH_P_8021Q) ||
            mbuf->ol_flags & PKT_RX_VLAN_STRIPPED) {

            if (vlan_rcv(mbuf, netif_port_get(mbuf->port)) != EDPVS_OK) {
                rte_pktmbuf_free(mbuf);
                lcore_stats[cid].dropped++;
                continue;
            }

            dev = netif_port_get(mbuf->port);
            if (unlikely(!dev)) {
                rte_pktmbuf_free(mbuf);
                lcore_stats[cid].dropped++;
                continue;
            }

            eth_hdr = rte_pktmbuf_mtod(mbuf, struct rte_ether_hdr *);
        }

        if (lb_sync_lcore_is_backup() && lb_sync_process_message(mbuf) == 0) {
            /*mbuf is freed in lb_sync_process_message */
            deliver_mbuf = false;
        } else {
            deliver_mbuf = true;
        }

  // 链路层的过滤处理完之后,调用 netif_deliver_mbuf 进入 IP 层
        if (likely(deliver_mbuf)) {
            /* handler should free mbuf */
            netif_deliver_mbuf(mbuf, eth_hdr->ether_type, dev, qconf,
                (dev->flag & NETIF_PORT_FLAG_FORWARD2KNI) ? true : false,
                cid, pkts_from_ring);
        }

        lcore_stats[cid].ibytes += mbuf->pkt_len;
        lcore_stats[cid].ipackets++;
    }
}

L3 处理阶段

  1. netif_deliver_mbuf 处理 L3 IP 包:
static inline int netif_deliver_mbuf(struct rte_mbuf *mbuf,
                                     uint16_t eth_type,
                                     struct netif_port *dev,
                                     struct netif_queue_conf *qconf,
                                     bool forward2kni,
                                     lcoreid_t cid,
                                     bool pkts_from_ring)
{
......
    /* Remove ether_hdr at the beginning of an mbuf */
    data_off = mbuf->data_off;
    if (unlikely(NULL == rte_pktmbuf_adj(mbuf, sizeof(struct rte_ether_hdr))))
        return EDPVS_INVPKT;

 // IP 层的 pkt_type 只注册了 2 种类型 ip4_pkt_type 和 arp_pkt_type。
 // ip4_pkt_type 在 ipv4_init 中注册。
 // arp_pkt_type 在 arp_init 中注册。
    err = pt->func(mbuf, dev);
......

// 对于 ipv4 包,实际上 pt->func 调用的就是 ipv4_rcv。
static struct pkt_type ip4_pkt_type = {
    //.type       = rte_cpu_to_be_16(ETHER_TYPE_IPv4),
    .func       = ipv4_rcv,
    .port       = NULL,
};

static struct pkt_type arp_pkt_type = {
    //.type       = rte_cpu_to_be_16(ETHER_TYPE_ARP),
    .func       = neigh_resolve_input,
    .port       = NULL,
};
  1. ipv4_rcv
static int ipv4_rcv(struct rte_mbuf *mbuf, struct netif_port *port)
{
......
 // ipv4_rcv 完成一系列错误检查后调用了 INET_HOOK 函数
    return INET_HOOK(INET_HOOK_PRE_ROUTING, mbuf, port, NULL, ipv4_rcv_fin);
  1. INET_HOOK
int INET_HOOK(unsigned int hook, struct rte_mbuf *mbuf,
        struct netif_port *in, struct netif_port *out,
        int (*okfn)(struct rte_mbuf *mbuf))
{
......
 // inet_hooks 在 dp_vs_init 中注册
    state.hook = hook;
    hook_list = &inet_hooks[hook];
    
    ops = list_entry(hook_list, struct inet_hook_ops, list);

    if (!list_empty(hook_list)) {
        verdict = INET_ACCEPT;
        list_for_each_entry_continue(ops, hook_list, list) {
repeat:
   // 先后执行 dp_vs_in 和 dp_vs_pre_routin
            verdict = ops->hook(ops->priv, mbuf, &state);/*g*/
            if (verdict != INET_ACCEPT) {
                if (verdict == INET_REPEAT)
                    goto repeat;
                break;
            }
        }
    }
}

L4 处理阶段

dp_vs_in 的主体逻辑是判断 IP 包的 src/dst 是否存在 conn,若存在则直接转发;否则 prot->conn_sched 创建一个新的 conn 然后转发。

static int dp_vs_in(void *priv, struct rte_mbuf *mbuf, 
                    const struct inet_hook_state *state)
{
......
    /* packet belongs to existing connection ? */
    conn = prot->conn_lookup(prot, &iph, mbuf, &dir, false);

 // 如果是 tcp 协议,则会调用到 conn_sched->tcp_conn_sched
    if (unlikely(!conn)) {
        /* try schedule RS and create new connection */
        if (prot->conn_sched(prot, &iph, mbuf, &conn, &verdict) != EDPVS_OK) {
            /* RTE_LOG(DEBUG, IPVS, "%s: fail to schedule.\n", __func__); */
            return verdict;
        }

        /* only SNAT triggers connection by inside-outside traffic. */
        if (conn->dest->fwdmode == DPVS_FWD_MODE_SNAT)
            dir = DPVS_CONN_DIR_OUTBOUND;
        else
            dir = DPVS_CONN_DIR_INBOUND;
    }

......
 // xmit_inbound 将包转发给 RS
 // xmit_outbound 从 RS 回包
    /* holding the conn, need a "put" later. */
    if (dir == DPVS_CONN_DIR_INBOUND)
        return xmit_inbound(mbuf, prot, conn);
    else
        return xmit_outbound(mbuf, prot, conn);
}

高级特性

大象流转发优化

现代 DPDK 程序都会基于 RSS 收包多核扩展技术来将不同的 IP 5-tuple Traffic 映射到特定的 Core 上进行处理。

但当出现大象流时,10% 的大象流就占据了总流量的 90%,继而造成某些 Core 忙死,而另外一些 Core 则闲死的情况。更甚者,即便忙死了某个 Core 也依旧无法满足大象流的处理需求,而导致丢包。

为了解决大象流问题,HDSLB 基于以下思路进行了 3 方面的优化:

  1. 大象流识别:首先,要识别出大象流(Heavy)和老鼠流(Light)。
  2. 大象流拆分:然后,将大象流能够拆分并映射到多个 Cores 上并行处理,而不仅仅映射到一个 Core 上。
  3. 大象流重排:最终,还需要将拆分到多个 Cores 上并行处理的流量再进行合法性排序。

从上述原理图可以看出,这里面的关键技术是由 Intel CPU 硬件提供的 DLB(Dynamic Load Balancer)特性。基于 DLB 可以实现:

  1. 收包时:将大象流切分到多个 Cores 中进行处理。
  2. 发包时:将多个 Cores 上的流量进行汇聚并合法化排序。

更具体而言,HDSLB 的大象流处理方案需要在 Main Core 上实现一个基于 Intel NIC FDIR 硬件特性的 Switch Filter,用于完成大象流和老鼠流的识别、标记并分类映射到不同的 Core,通过硬件的方式减少了软件上的匹配和查表,性能更高;而在 Worker Cores 上还需要实现基于 Intel CPU DLB 硬件特性的大象流拆分。如下图所示:

  • Main Core

  • Worker Cores

了解更多的细节,推荐阅读 Intel 的官方文档:https://networkbuilders.intel.com/docs/networkbuilders/intel-dynamic-load-balancer-intel-dlb-accelerating-elephant-flow-technology-guide-1677672283.pdf

快慢路径分离转发优化

快慢路径分离现在已然是高性能转发模式的标配了,HDSLB 为性能敏感且处理逻辑复杂的 TCP 流量实现了一套 Session/Conn 快路径。

报文基础转发优化

在基础的报文转发方面,HDSLB 做了 2 方面的努力:

  1. Vectorize:向量转发的思路来自于 VPP,批量处理同类报文可以有效提高 icache/dcache 的命中率。详细推荐浏览:《FD.io/VPP — VPP 的实现原理解析

  2. microjobs:将原来的 jobs 进一步的细化为了多个符合 icache size 对齐的 microjobs。结合 pipeline nodes prefetch 的方式,可以进一步减少 icache/dcache miss 带来的性能损耗。

最后

通过本系列的文章,笔者希望向对 DPDK 数据面开发感兴趣的读者们推荐 HDSLB 这个优秀的开源项目。实际上,DVPS 本身就已经是一个足够优秀的数据面项目,HDSLB 更是在其基础上叠加了 Intel 多年积累的软硬件融合加速技术。难能可贵的是,HDSLB 不仅仅满足于作为一个研究项目,而是针对大象流此类在生产环境中存在的典型问题,给出了一个完整可落地的解决方案。这一点非常值得大多数开源项目学习!

参考文档

  1. https://cloud.tencent.com/developer/article/1180256
  2. https://cloud.tencent.com/developer/article/1180838
  3. https://cloud.tencent.com/developer/article/1182928
  4. https://www.jianshu.com/p/d8ee301f9122
  5. https://static.sched.com/hosted_files/dpdksummitapac2021/35/Handling%20Elephant%20Flow%20on%20a%20DPDK-Based%20Load%20Balancer.pdf
  6. https://zhuanlan.zhihu.com/p/416992198
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