你们要的干货来了！FD.io 大会技术分享

王志宏，Intel工程师

 

三个话题

在刚刚结束的FD.io minisummit上，有三个话题是关于虚拟化数据通道协议性能探讨的：

1. Towards a single virtualized data path for VPP

2. High Speed Solutions in VPP to Accelerate Container Networking: Howto and Deep Dive

3. VPP performance tuning from the perspective of virtual networking

三个对比

     目前主流的高性能虚拟化数据通道基本都是基于内存共享机制，例如Virtio和Netmap。VPP中实现的SSVM也是基于内存共享机制，目前还没有推出正式的标准。

    对这些协议进行性能分析和对比是一个很有意思的话题。

    关于性能的讨论分为两部分：协议开销，和数据拷贝开销。协议开销包括通信两端对ring、desc、index的维护；数据拷贝开销则是真正将需要传输的数据从发送发拷贝到接收方。

    基于内存共享机制的数据传输通常会有ring、desc、index等数据结构，用于通信双方确定收发的位置和状态，我们可以用一个提水的例子来快速理解其中的原理。

    假设有两个人分别有一个水池，其中A需要将自己水池中的水用水桶传给B，B将接收到的水倒进自己的水池。

    对于Virtio协议，A和B中的一个人作为前端的角色，另一个为后端。前端负责管理所有的水桶。假设B是前端，那么A需要向B申请水桶，然后打水，再将水桶递给B。反之，如果A是前端，那么他直接可以用水桶装水，然后递给B，最后B将空桶还给A。

    对于Netmap协议，A和B都有很多水桶。A只需要从自己空桶中拿出一个，装满水，B则从自己的空桶中拿出一个，然后A和B进行互换，则完成了一次水的传递。此外，在Netmap的设计中，A和B的水池实际上在同一个地方，因此这个互换操作开销非常低。

    对于SSVM，A和B都没有自己的水桶，而在他们之间有一堆水桶。这时，A需要从这一堆水桶中取出一个空桶，装满水，然后传递给B。反之亦然。这个过程中由于A和B有可能同时取到同一个空桶，因此取水桶这个操作需要加锁。

    当然，这个比喻反映的是协议的大体设计思路，其描述对于真实协议的具体实现细节来说不够精确。

一个结论

     在我们初步的测试中，对于64B的小包，Netmap的性能最好，这是由于它的收发操作最简单，协议开销最小，而Virtio和SSVM都还有提升的空间。随着包大小的增加，数据拷贝开销的比例逐渐升高，各种协议的性能也趋于一致。

    如果从发展的角度来看，所有的基于内存共享机制的虚拟化数据交换协议，如果持续进行优化，其协议开销都会趋于最小化，最终接近一致。这个优化的过程，就是对传输协议的数据结构和收发操作进行改进的过程，以使其具有更简单的操作，更亲和硬件执行的状态维护。或许最终所有这些协议的数据结构和收发操作都会变得大同小异。

    网络相关的功能性方面，Virtio支持较多的offloading功能，例如TSO、checksum，而Netmap和SSVM暂时不支持这些功能。

    在这三个协议中，Virtio拥有标准的协议文档，具有很好的实现兼容性。DPDK中实现了Virtio/Vhost的库，并且通过Vhost PMD将其抽象成一个标准端口，简化了使用。同时，DPDK持续对Virtio/Vhost进行优化，并积极对下一代Virtio协议进行探讨以提升功能和性能，希望通过Virtio/Vhost来加速所有的vSwitch。

    被广泛应用的OvS（Open vSwitch）通过集成DPDK，性能得到了数倍的提升。目前DPDK团队也正在将 Vhost PMD集成到VPP中。

    同时，通过在Container中引入一个Vhost-user适配器来代替虚拟机中的PCI驱动，DPDK成功地将Virtio PMD引入Container进行网络加速。 

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