DPDK技术提升网卡吞吐量几何？

DPDK是什么？

2008年，数据平面开发套件DPDK（Data Plane Development Kit）由英特尔公司的网络通信部门提出，主要针对Intel的处理器和网卡开发，是一款高性能的网络驱动组件，旨在为数据面应用程序提供一个简单方便的，完整的，快速的数据包处理解决方案。目前，DPDK已经开源，越来越多的厂商参与进来贡献代码，这使得DPDK可以支持更多的CPU和网卡，如CPU不仅支持Intel，还支持AMD、ARM等厂商的处理器，网卡支持的范围也包括Intel网卡、Mellanox网卡、ARM集成网卡等。

DPDK工作原理

在不使用DPDK而使用Linux内核处理数据平面时，数据包处理对于通用CPU系统架构的挑战是巨大的。以64B数据包长，40Gbps线速，CPU主频率2GHz为例，要达到理论最大的转发能力，最多允许消耗33个时钟周期。对比访存的时钟周期，一次LLC命中需要大约40个时钟周期，如果LLC未命中，一次内存读还另需70ns。显然，Linux内核数据平面的数据包处理很难满足线速转发的要求。
而DPDK可以为通用CPU系统架构提供简单、完整、快速实现数据平面的数据包处理方案，其核心特征就是绕过了Linux内核态对数据包的处理过程，直接在用户态收发包来解决内核的瓶颈，从而能充分释放CPU对包处理的吞吐能力。

以下是DPDK的工作原理的基本概述：

• 绕过内核网络栈： 传统的Linux内核网络栈包括了大量的网络协议处理、排队、调度、以及与用户态的切换。这些操作会引入较大的延迟，从而限制了数据包处理性能。DPDK绕过了这些内核操作，将数据包的处理放在用户态，以减少不必要的开销。

• 直接访问硬件： DPDK允许应用程序直接与网络适配器进行通信，绕过了内核对网络设备的抽象。这样，数据包可以更快速地被发送和接收，无需经过内核的中介。

• 共享内存： DPDK使用共享内存来实现数据包的快速传递。这允许多个处理线程在不复制数据的情况下访问相同的数据包，从而提高了多核处理器的利用率。

• 用户态驱动程序： DPDK提供了用户态的网络设备驱动程序，这些驱动程序在用户态中运行，而不是内核态中。这允许应用程序直接控制硬件，而不受内核的限制。

• 零拷贝： DPDK支持零拷贝技术，允许数据包在内存中以最有效的方式进行传输，减少了数据包处理过程中的数据复制。

• 多队列处理： DPDK支持多队列技术，使多个处理线程能够并行处理多个队列中的数据包，从而提高了多核系统的性能。

内核与DPDK的区别

在测试网卡吞吐量时，使用Linux内核进行数据包转发与使用DPDK进行数据包转发之间存在显著的区别，这些区别主要涉及性能、延迟和数据包处理方式：
性能：

• Linux内核：
  使用Linux内核进行数据包转发时，数据包需要经过内核的网络协议栈进行处理，这会引入大量的CPU中断、上下文切换和协议处理开销，限制了数据包处理性能。因此，Linux内核数据包转发性能通常较低，特别在高负载情况下。
• DPDK：
  使用DPDK进行数据包转发绕过了内核网络栈，直接在用户态处理数据包。DPDK充分利用硬件加速功能和多核处理器，因此通常可以实现更高的数据包处理性能，从而提供更高的吞吐量。

延迟：

• Linux内核： 由于Linux内核的复杂性，数据包在经过内核处理时通常会引入较大的延迟，这对于需要低延迟的应用程序来说可能是不可接受的。
• DPDK： DPDK能够显著减少数据包处理延迟，因为数据包绕过了内核中的许多中介步骤，直接在用户态进行处理。

数据包处理方式：

• Linux内核： Linux内核采用通用的网络协议栈来处理数据包，因此具有通用性，但这也意味着在处理数据包时会引入一些不必要的开销。
• DPDK： DPDK是为高性能数据包处理而设计的，它专注于提供最佳性能，允许应用程序更灵活地控制数据包处理过程。
  
  总的来说，使用DPDK进行数据包转发可以显著提高网络设备的吞吐量和性能，特别是在高负载和需要低延迟的情况下。

内核 VS DPDK性能对比

1、 Linux内核转发测试拓扑：

服务器上配置两个端口为桥接，使用信而泰L2-7层网络测试仪DarYu3000的Port1和Port2分别连接服务器上10G网卡的Port1和Port2，然后网络测试仪的Port1和Port2相互发送流量，测试帧长使用RFC2544建议的帧长64Byte、 128Byte、 256Byte、 512Byte、 1024Byte、1280Byte、1518Byte。

• 内核转发测试结果：

2、 DPDK转发测试拓扑：

服务器上部署DPDK环境，并使能L2fw程序，使用信而泰L2-7层网络测试仪DarYu3000的Port1和Port2分别连接服务器上10G网卡的Port1和Port2，然后网络测试仪的Port1和Port2相互发送流量，测试帧长使用RFC2544建议的帧长64Byte、 128Byte、 256Byte、 512Byte、 1024Byte、1280Byte、1518Byte。

• DPDK转发测试结果：

分析对比内核转发测试结果与DPDK转发测试结果，显然部署了DPDK后，数据包的吞吐能力得到了极大的提升。

仪表配置

配置吞吐量界面，使用RFC 2544建议的字节帧长64Byte、128Byte、256Byte、512Byte、1024Byte、1280Byte、1518Byte进行测试，然后点击“完成”。

最后，点击下图所示的开始按键即可启动测试。

RFC2544按照顺序测试完64Byte、128Byte、256Byte、512Byte、1024Byte、1280Byte、1518Byte帧长的吞吐量，并自动保存测试结果，此为DPDK转发测试结果。