DPDK编程指南（翻译）（六）

6.报文缓冲区库

报文缓冲区库（Mbuf）提供了申请和释放缓冲区的功能，DPDK应用程序使用这些buffer存储消息缓冲。消息缓冲存储在mempool中，使用内存池库 。

数据结构rte_mbuf可以承载网络数据包buffer或者通用控制消息buffer(由CTRL_MBUF_FLAG指示)。也可以扩展到其他类型。rte_mbuf头部结构尽可能小，目前只使用两个缓存行，最常用的字段位于第一个缓存行中。

6.1.报文缓冲区设计

为了存储数据包数据（包括协议头部），考虑了两种方法：

1. 在单个存储buffer中嵌入metadata，后面跟着数据包数据固定大小区域
2. 为metadata和报文数据分别使用独立的存储buffer。

第一种方法的优点是他只需要一个操作来分配/释放数据包的整个存储表示。但是，第二种方法更加灵活，并允许将元数据的分配与报文数据缓冲区的分配完全分离。

DPDK选择了第一种方法。Metadata包含诸如消息类型，长度，到数据开头的偏移量等控制信息，以及允许缓冲链接的附加mbuf结构指针。

用于承载网络数据包buffer的消息缓冲可以处理需要多个缓冲区来保存完整数据包的情况。许多通过下一个字段链接在一起的mbuf组成的jumbo帧，就是这种情况。

对于新分配的mbuf，数据开始的区域是buffer之后 RTE_PKTMBUF_HEADROOM 字节的位置，这是缓存对齐的。 Message buffers可以在系统中的不同实体中携带控制信息，报文，事件等。 Message buffers也可以使用起buffer指针来指向其他消息缓冲的数据字段或其他数据结构。

Figure 6 1 An mbuf with One Segment

Figure 6 2 An mbuf with Three Segments

Buffer Manager实现了一组相当标准的buffer访问操作来操纵网络数据包。

6.2.存储在内存池中的缓冲区

Buffer Manager使用内存池库来申请buffer。因此确保了数据包头部均衡分布到信道上，有利于L3处理。mbuf中包含一个字段，用于表示它从哪个池中申请出来。当调用 rte_ctrlmbuf_free(m) 或 rte_pktmbuf_free(m)，mbuf被释放到原来的池中。

6.3.构造函数

Packet及control mbuf构造函数由API提供。接口rte_pktmbuf_init()及rte_ctrlmbuf_init()初始化mbuf结构中的某些字段，这些字段一旦创建将不会被用户修改（如mbuf类型、源池、缓冲区起始地址等）。此函数在池创建时作为rte_mempool_create()函数的回掉函数给出。

6.4.缓冲区申请及释放

分配一个新mbuf需要用户指定从哪个池中申请。对于任意新分配的mbuf，它包含一个段，长度为0。 缓冲区到数据的偏移量被初始化，以便使得buffer具有一些字节（RTE_PKTMBUF_HEADROOM）的headroom。

释放mbuf意味着将其返回到原始的mempool。当mbuf的内容存储在一个池中（作为一个空闲的mbuf）时，mbuf的内容不会被修改。由构造函数初始化的字段不需要在mbuf分配时重新初始化。

当释放包含多个段的数据包mbuf时，他们都被释放，并返回到原始mempool。

6.5.缓冲区操作

这个库提供了一些操作数据包mbuf中的数据的功能。例如：

• 获取数据长度
• 获取指向数据开始位置的指针
• 数据前插入数据
• 数据之后添加数据
• 删除缓冲区开头的数据（rte_pktmbuf_adj()）
• 删除缓冲区末尾的数据（rte_pktmbuf_trim()）详细信息请参阅 DPDK API Reference

6.6.元数据信息

数据包的一些信息由网络驱动程序检索并存储在mbuf中使得处理更简单。例如，VLAN、RSS哈希结果（参见 Poll Mode Driver）及校验和由硬件计算的标志等。

一个报文缓冲区中还包含数据源端口和报文链中mbuf数目。对于链接的mbuf，只有链的第一个mbuf存储这个元信息。

例如，对于IEEE1588数据包，RX侧就是这种情况，时间戳机制，VLAN标记和IP校验和计算。

在TX端，应用程序还可以将一些处理委托给硬件。 例如，PKT_TX_IP_CKSUM标志允许卸载IPv4校验和的计算。

以下示例说明如何在vxlan封装的tcp数据包上配置不同的TX offloads：out_eth/out_ip/out_udp/vxlan/in_eth/in_ip/in_tcp/payload

• 计算out_ip的校验和:

  mb->l2_len = len(out_eth)
  mb->l3_len = len(out_ip)
  mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
  set out_ip checksum to 0 in the packet
  

  配置DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM支持在硬件计算。

• 计算out_ip 和 out_udp的校验和:

  mb->l2_len = len(out_eth)
  mb->l3_len = len(out_ip)
  mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_UDP_CKSUM
  set out_ip checksum to 0 in the packet
  set out_udp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
  

  配置DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM 和 DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM支持在硬件上计算。

• 计算in_ip的校验和:

  mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
  mb->l3_len = len(in_ip)
  mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
  set in_ip checksum to 0 in the packet
  

  这以情况1类似，但是l2_len不同。 配置DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM支持硬件计算。 注意，只有外部L4校验和为0时才可以工作。

• 计算in_ip 和 in_tcp的校验和:

  mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
  mb->l3_len = len(in_ip)
  mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM
  在报文中设置in_ip校验和为0
  使用rte_ipv4_phdr_cksum()将in_tcp校验和设置为伪头
  

  这与情况2类似，但是l2_len不同。 配置DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM 和 DEV_TX_OFFLOAD_TCP_CKSUM支持硬件实现。 注意，只有外部L4校验和为0才能工作。

• segment inner TCP:

  mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
  mb->l3_len = len(in_ip)
  mb->l4_len = len(in_tcp)
  mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CKSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM | PKT_TX_TCP_SEG;
  在报文中设置in_ip校验和为0
  将in_tcp校验和设置为伪头部，而不使用IP载荷长度
  配置DEV_TX_OFFLOAD_TCP_TSO支持硬件实现。 注意，只有L4校验和为0时才能工作。
  

• 计算out_ip, in_ip, in_tcp的校验和:

  mb->outer_l2_len = len(out_eth)
  mb->outer_l3_len = len(out_ip)
  mb->l2_len = len(out_udp + vxlan + in_eth)
  mb->l3_len = len(in_ip)
  mb->ol_flags|=PKT_TX_OUTER_IPV4|PKT_TX_OUTER_IP_CKSUM | PKT_TX_IP_CKSUM |  PKT_TX_TCP_CKSUM;
  设置 out_ip 校验和为0
  设置 in_ip 校验和为0
  使用rte_ipv4_phdr_cksum()设置in_tcp校验和为伪头部
  

  配置DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM、DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM、 DEV_TX_OFFLOAD_OUTER_IPV4_CKSUM支持硬件实现。

Flage标记的意义在mbuf API文档(rte_mbuf.h)中有详细描述。 更多详细信息还可以参阅testpmd 源码(特别是csumonly.c)。

6.7.直接缓冲区和间接缓冲区

直接缓冲区是指缓冲区完全独立。间接缓冲区的行为类似于直接缓冲区，但缓冲区的指针和数据偏移量指的是另一个直接缓冲区的数据。这在数据包需要复制或分段的情况下是很有用的，因为间接缓冲区提供跨越多个缓冲区重用相同数据包数据的手段。

当使用接口 rte_pktmbuf_attach() 函数将缓冲区附加到直接缓冲区时，该缓冲区变成间接缓冲区。每个缓冲区有一个引用计数器字段，每当直接缓冲区附加一个间接缓冲区时，直接缓冲区上的引用计数器递增。类似的，每当间接缓冲区被分裂时，直接缓冲区上的引用计数器递减。如果生成的引用计数器为0，则直接缓冲区将被释放，因为它不再使用。

处理间接缓冲区时需要注意几件事情。首先，间接缓冲区从不附加到另一个间接缓冲区。尝试将缓冲区A附加到间接缓冲区B（且B附加到C上了），将使得rte_pktmbuf_attach() 自动将A附加到C上。其次，为了使缓冲区变成间接缓冲区，其引用计数必须等于1，也就是说它不能被另一个间接缓冲区引用。最后，不可能将间接缓冲区重新链接到直接缓冲区（除非它已经被分离了）。

虽然可以使用推荐的rte_pktmbuf_attach()和rte_pktmbuf_detach()函数直接调用附加/分离操作，但建议使用更高级的rte_pktmbuf_clone()函数，该函数负责间接缓冲区的正确初始化，并可以克隆具有多个段的缓冲区。

由于间接缓冲区不应该实际保存任何数据，间接缓冲区的内存池应配置为指示减少的内存消耗。可以在几个示例应用程序中找到用于间接缓冲区的内存池（以及间接缓冲区的用例示例）的初始化示例，例如IPv4组播示例应用程序。

6.8.调试

在调试模式（CONFIG_RTE_MBUF_DEBUG使能）下，mbuf库的函数在任何操作之前执行完整性检查(如缓冲区检查、类型错误等)。

6.9.用例

所有网络应用程序都应该使用mbufs来传输网络数据包。

原文链接：http://www.jianshu.com/p/94e96c426c4c 。