关于数据库:可编程网卡芯片在滴滴云网络的应用实践

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​桔妹导读：随着云规模不断扩大以及业务层面对提早、带宽的要求越来越高，采纳 DPDK 减速网络报文解决的形式在横向纵向扩大都呈现了局限性。可编程芯片成为业界热点。本文次要讲述了可编程网卡芯片在滴滴云网络中的利用实际，遇到的问题、带来的收益以及开源社区奉献。

1. 数据中心面临的问题

随着滴滴云规模的不断扩大，业务层面对提早以及带宽的要求越来越高。2018 年滴滴云网络团队上线了基于开源社区的 OVS-DPDK 计划。DPDK 是 X86 平台报文疾速解决的库和驱动的汇合, 其次要劣势为通过 Bypass Linux 内核，Hugepage 内存以及 PMD(Poll Mode Driver)模型驱动的形式实现减速。咱们为 OVS-DPDK 提供了在线热降级性能，该性能保障了在降级过程中虚拟机业务无感知，并且网络 Downtime 工夫为毫秒级别。同时咱们优化了 OVS-DPDK 数据转发立体。实现了不同物理主机上的虚拟机网络提早 <150us，单核性能约~400w pps(双向)。

滴滴外部上云、高性能计算 HPC，以及机器学习，对网络提出了更高的要求。通过 CPU DPDK 解决报文的形式，尽管在性能以及提早方面远优于基于 Linux 内核的转发实现。但 CPU DPDK 曾经不能满足数据中心流量激增带来的需要。

2. 技术计划抉择

云网络环境中，在计算节点 DPDK 不会占用过多的 CPU，否则会影响 CPU 售卖，个别会应用 1 -2 CPU 用于数据报文解决。同时 DPDK 解决数据报文的性能强依赖 CPU 算力。因而在计算节点网络的横向扩大以及纵向扩大都具备局限性。

在边际网关节点，咱们能够通过扩大服务器的形式，进步网络解决容量进而满足业务需要。然而大规模的扩大服务器，须要承当更多的机器、功耗以及运维老本。

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是一种新型网络翻新架构，是网络虚拟化的一种实现形式。其核心思想是将网络设备的管制面与数据面拆散开来。管制层面能够通过集中控制的形式实现不同的业务逻辑：拓扑发现，路由治理，安全策略，网络虚拟化等。数据立体更专一在数据报文转发。2018 年 AWS re:Invent，AWS 介绍了 Nitro System。该零碎通过硬件芯片减速虚拟机 IO 解决(网络、存储、平安等)。

目前工业界，减速网络解决的焦点汇集到了硬件层面：AISC，FPGA，P4，可编程网卡，以及智能网卡等。

3. 基于可编程芯片的解决方案

3.1 硬件芯片抉择

  1. 传统 AISC 卡

该卡比拟成熟，但业务逻辑固定，很难适应云上简单的业务场景。

  1. 可编程门队列 FPGA

FPGA 实现网络减速须要业余 FPGA 技术人员，以及业余网络 RD。同时在老本，和研发周期都须要具备肯定的局限性。

  1. P4

P4 具备灵便的可编程性，较为适合做为网关节点数据处理。并不适宜在计算节点应用。同时价格也是须要思考的因素。

  1. 可编程网卡芯片

通过调研发现，可编程网卡除了具备通用网卡的性能外，还能够通过下发流表规定的形式，实现报文匹配并对报文执行特定的 action 如：批改，封装，以及转发、上送报文至 CPU 等。这种具备灵活性、可编程性的‍‍硬件芯片，可能满足疾速迭代的需要。

3.2 转发模型

为了满足网元业务灵活性、多样性的需要，咱们将网元业务和底层平台性能拆散，舍去了传统的数据面 Pipeline 转发模型，采纳了相似 Open Flow 的 macth+action 的形式。这样不同的 match 规定和不同 action 匹配可能实现不同的业务逻辑。这种弱依赖的关系可能剥离了业务和底层细节，不便业务性能迭代、疾速上线，同时底层可编程芯片的更新不会对业务逻辑产生影响。

3.3 网络平台化

随着‍‍云上业务场景的复杂化，以及上云的客户越来越多，云上网络的性能也复杂化。为了对立计算节点以及网关节点性能，咱们实现了对立的编程框架。这样可能疾速开发不同性能的网关节点，缩小运维累赘。

3.4 落地实际

咱们基于 OVS-DPDK Offload 框架实现流表规定 offload。OVS 采纳首个报文触发的形式下发硬件流表规定，该形式的长处为在必须的时候下发规定，可能达到节俭流表的目标，然而毛病却会导致首个报文提早。经调研咱们发现网卡反对至多百万级流表量(应用 x86 内存或者其余扩大内存)，最终咱们舍去 OVS-DPDK ofproto 转发层，应用 dpctl 接口下发流表，这样就不存在首个报文提早问题，同时也缩减了应用 TC Flower 时数据面过多问题(这些转发立体包含：硬件芯片转发，TC 数据面，OVS Linux 内核模块转发，以及 ofproto 层)。咱们批改了 OVS-DPDK 流表老化形式，保障通过 dpctl 下发的规定不会被删除。最初通过 upcall limit 限度了 upcall 报文解决。滴滴云网络数据立体次要分为两大部分：计算节点和网关节点。计算节点次要负责虚拟机、容器网络的虚拟化，网关节点次要负责各种边际节点业务如：SLB 负载平衡、vRouter EIP 报文解决，分流器、SNAT、FullNAT、云企业网等。可编程网卡芯片通过平台化的形式在两个次要节点均有利用。

  1. SLB 负载平衡

提供四层负载平衡，依据用户策略将 underlayer 网络报文散发到虚构网络服务节点。

  1. vRouter

提供弹性 EIP 服务。用户能够将一个公网 IP 地址绑定到虚拟机、容器、或者裸金属，从而取得公网拜访性能。

  1. iRouter

将滴滴数据中心和滴滴云虚构网络买通，滴滴数据中心能够方便快捷的拜访云上资源。

  1. SNAT

为虚拟机、容器以及裸金属提供拜访公网服务。

  1. 云企业网互联

互联服务反对将滴滴云上的多个 VPC 网络退出云互联，任意两个 VPC 网络即可实现资源之间的互访。

  1. 计算节点

在计算节点次要有两大利用场景：一种场景为在计算节点为虚拟机、容器提供 VPC 服务(网络隧道，限速，转发，报文批改，公网服务)，RDMA 网络。另外一个场景应用智能网卡为裸金属提供 VPC 服务。

3.5 遇到的问题

在调研开发过程中遇到诸多问题，在这里和大家总结分享下:

  1. OVS-DPDK 反对 Offload 水平无限

首先 OVS 社区并对 DPDK Offload 接口 (rte flow) 反对无限：实现的 action 十分无限。须要使用者独立实现开发：如 set action，meter offload，vxlan 隧道报文解决等。

  1. 端口转发限度

目前 mellanox 网卡芯片并不反对从一个 PF 端口转发到该芯片另一个端口，最终咱们通过 SRIOV+Hairpin 的形式解决该问题。据理解后续的网卡芯片开始反对该性能(性能也受限于固件)。

  1. Open vSwitch Crash

在删除蕴含 meter action 流表规定时，OVS 过程退出。该问题最终确认为 DPDK 的一个 bug，目前该问题曾经修复，发送到社区并接管。http://git.dpdk.org/next/dpdk…

调用 DPDK Meter API 接口导致 crash。目前该问题曾经修复，发送到社区并接管。
http://git.dpdk.org/next/dpdk…

批改 OVS 配置导致删除 offload flow crash，目前该问题曾经修复，发送到社区并接管。https://github.com/openvswitc…

  1. Meter offload

OVS 社区没有实现该性能，咱们依据业务特色形象出接口并在 OVS 实现了 meter offload。该系 列补丁文件正在 OVS 社区 review，不久会进入 upstream。

  1. Decap/Encap 流表限度

下发多条带有 decap/encap 的流表规定时报错。该问题最终确认为 DPDK 的一个 bug，目前该问题曾经修复，与社区 maintainer 协同修复。http://git.dpdk.org/next/dpdk…

  1. Decap + Meter action 限度

decap + meter 做为 action 下发规定时失败。该问题最终确认为 DPDK 的一个 bug，目前该问题曾经修复，与社区 maintainer 协同修复 http://git.dpdk.org/next/dpdk…

  1. Hairpin 性能问题

在高并发状况下，mellanox 网卡芯片性能会降落约 40%，最终确认是网卡驱动 hairpin 问题。目前 mellanox 确认该问题并给出修复形式。

  1. 流表数目限度

通过删除流表下限修复该问题：https://github.com/openvswitc…

  1. MAC 地址对 VxLAN 的影响

物理主机源 MAC 地址变更后 vxlan 报文仍旧应用原来 MAC 地址，这样会导致收不到响应报文：
https://git.kernel.org/pub/sc…

  1. 屡次批改报文不失效问题

屡次应用 TC Flower pedit 批改报文，offload 不失效问题, 最终确认是内核驱动问题：
https://git.kernel.org/pub/sc…

  1. 配置 vf rate、mac 不当导致内核 crash

https://git.kernel.org/pub/sc…

https://git.kernel.org/pub/sc… id=24319258660a84dd77f4be026a55b10a12524919

3.6 性能数据

以实现的 vRouter 弹性公网网关为例(根底网络 10Gpbs)：

pps(64B)Mpbs(64B)pps(1500B)Mpbs(1500B)
94958928660.2581193510067.98

业务提早数据如下(应用 pktgen-dpdk latency)：

背景流量网关提早
10W 条流表以及并发 1Gbps 64B 流量3u
10W 条流表以及并发 5Gbps 64B 流量6u

4. 开源社区奉献

除了为开源社区提供 bug patch，咱们也将新增个性、性能优化 patch 回馈至开源社区：OVS、DPDK、Linux 内核社区(约 80+ patch), 其中 Linux 内核补丁列表如下：

团队介绍

滴滴云平台事业群滴滴 SDN 网络团队负责云网络产品的布局、设计、以及研发等工作。为私有云提供负载平衡 SLB、专有网络 VPC、弹性公网 EIP、SNAT 以及云互联等服务。团队针对云网络业务需要，在 Linux 内核网络虚拟化、DPDK、OVS、可编程芯片、RDMA、智能网卡以及系统优化等畛域均有宽泛深刻的钻研。团队具备多名开源社区 contributor，波及 OVS、DPDK、Linux 内核等。

作者介绍

专一于高性能网络技术，从事云网络研发工作。沉闷于 Linux 内核、OVS、DPDK 开源社区。

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内容编辑 | Charlotte & Teeo
分割咱们 | DiDiTech@didiglobal.com

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发表至： 数据库
2020-08-26
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