FD.io——助你创新更高效、更灵活的报文处理方案 | SDNLAB

作者简介：倪红军，Intel 网络软件工程师
FD.io项目早期贡献者
VPP Maintainer/Sweetcomb Project Lead
NSH_SFC Project Lead/Hc2vpp Committer

文章转载自DPDK与SPDK开源社区

FD.io (Fast data – Input/Output) 是许多项目和库的一个集合，基于DPDK并逐渐演化，支持在通用硬件平台上部署灵活和可变的业务。FD.io为软件定义基础设施的开发者提供了一个平台，可以创建多个项目，开发基于软件的报文处理创新方案，以便于设计高吞吐量、低延时和有效利用资源的应用程序，并能够应用在多个平台上(x86、ARM和PowerPC)和部署在不同的环境中(裸机、虚拟机和容器)。

FD.io的一个关键项目是VPP(Vector Packet Processing：矢量报文处理)。VPP是高度模块化的项目，新开发的功能模块很容易被集成进VPP，而不影响VPP底层的代码框架。这就给了开发者很大的灵活性，可以创新不计其数的报文处理解决方案。

除了VPP，FD.io充分利用DPDK特性以支持额外的项目，包括NSH_SFC, Honeycomb 和ONE来加速网络功能虚拟化的数据面。此外，FD.io还与其他关键的开源项目进行集成，以支持网络功能虚拟化和软件定义网络。目前已经集成的开源项目包括：K8s、OpenStack、ONAP和OpenDaylight。

下图是FD.io的网络生态系统概览：

VPP简介

VPP到底是什么？一个软件路由器？一个虚拟交换机？一个虚拟网络功能？事实上，它包含所有这些，并且包含更多。VPP是一个模块化和可扩展的软件框架，用于创建网络数据面应用程序。更重要的是，VPP代码为现代通用处理器平台(x86、ARM、PowerPC等)而生，并把重点放在优化软件和硬件接口上，以便用于实时的网络输入输出操作和报文处理。

VPP充分利用通用处理器优化技术，包括矢量指令(例如Intel SSE, AVX)以及I/O和CPU缓存间的直接交互(例如 Intel DDIO)，以达到最好的报文处理性能。利用这些优化技术的好处是：使用最少的CPU核心指令和时钟周期来处理每个报文。在最新的Intel Xeon-SP处理器上，可以达到Tbps的处理性能。

VPP架构

VPP是一个有效且灵活的数据面，它包括一系列按有向图组织的转发图形节点(graph node)和一个软件框架。该软件框架包含基本的数据结构、定时器、驱动程序、在图形节点间分配CPU时间片的调度器、性能调优工具，比如计数器和内建的报文跟踪功能。

VPP采用插件(plugin)架构，插件与直接内嵌于VPP框架中的模块一样被同等对待。原则上，插件是实现某一特定功能的转发图形节点，但也可以是一个驱动程序，或者另外的CLI。插件能被插入到VPP有向图的任意位置，从而有利于快速灵活地开发新功能。因此，插件架构使开发者能够充分利用现有模块快速开发出新功能。

VPP架构：报文处理有向图

输入节点轮询(或中断驱动)接口的接收队列，获取批量报文。接着把这些报文按照下个节点功能组成一个矢量(vector)或者一帧(frame)。比如：输入节点收集所有IPv4的报文并把它们传递给ip4-input节点；输入节点收集所有IPv6的报文并把它们传递给ip6-input节点。当ip6-input节点被调度时，它取出这一帧报文，利用双循环(dual-loop) 或四循环(quad-loop)以及预取报文到CPU缓存技术处理报文，以达到最优性能。这能够通过减少缓存未命中数来有效利用CPU缓存。当ip6-input节点处理完当前帧的所有报文后，把报文传递到后续不同的节点。比如：如果某报文校验失败，就被传送到error-drop节点；正常报文被传送到ip6-lookup节点。一帧报文依次通过不同的图形节点，直到它们被interface-output节点发送出去。

VPP图形节点的处理逻辑

按照网络功能一次处理一帧报文，有几个好处：

从软件工程的角度看，每一个图形节点是独立和自治的。
从性能的角度看，主要的好处是可以优化CPU指令缓存(i-cache)的使用。当前帧的第一个报文加载当前节点的指令到指令缓存，当前帧的后续报文就可以“免费”使用指令缓存。这里，VPP充分利用了CPU的超标量结构，使报文内存加载和报文处理交织进行，达到更有效地利用CPU处理流水线。
VPP也充分利用了CPU的预测执行功能来达到更好的性能。从预测重用报文间的转发对象(比如邻接表和路由查找表)，以及预先加载报文内容到CPU的本地数据缓存(d-cache)供下一次循环使用，这些有效使用计算硬件的技术，使得VPP可以利用更细粒度的并行性。

VPP有向图处理的特性，使它成为一个松耦合、高度一致的软件架构。每一个图形节点利用一帧报文作为输入和输出的最小处理单位，这就提供了松耦合的特性。通用功能被组合到每个图形节点中，这就提供了高度一致的架构。

在有向图中的节点是可替代的。当这个特性和VPP支持动态加载插件节点相结合时，新功能能被快速开发，而不需要新建和编译一个定制的代码版本。

【参考资料】
1.https://wiki.fd.io/view/Main_Page
2.https://wiki.fd.io/view/VPP