Mari kita bercakap tentang raja prestasi rangkaian Linux—teknologi XDP

Salam semua, hari ini kita akan bercakap tentang teknologi XDP melalui beberapa gambar.

Ramai pembangun Linux mungkin tidak biasa dengan teknologi XDP, terutamanya mereka yang bekerja dalam pembangunan berkaitan rangkaian. Jika anda seorang pembangun Linux dan tidak mengetahui teknologi XDP, anda mungkin terlepas banyak peluang.

Saya pernah menggunakan teknologi XDP untuk mengoptimumkan projek dan berjaya meningkatkan prestasi pemprosesan rangkaiannya sebanyak 3-4 kali. Sesetengah orang mungkin berpendapat bahawa prestasi asal projek itu adalah lemah, jadi terdapat ruang yang begitu besar untuk penambahbaikan.

Saya percaya bahawa di bawah seni bina perisian semasa, walaupun dengan pengoptimuman selanjutnya, kesesakan prestasi tidak akan mudah dihapuskan. Seni bina yang lebih cekap dan perspektif yang lebih komprehensif mesti diguna pakai untuk menyelesaikan masalah ini.

Projek susulan saya Magic Box juga akan menggunakan teknologi XDP Selepas menggunakan teknologi XDP, prestasi rangkaian Magic Box dianggarkan meningkat lebih kurang 3 kali ganda.

1. Pengenalan kepada teknologi XDP

1.1 Latar Belakang Teknologi XDP

Dengan kemunculan teknologi rangkaian lebar jalur ultra tinggi 10G, 40G dan rangkaian 100G, susunan protokol kernel Linux semakin tidak dapat menyesuaikan diri dengan pembangunan teknologi rangkaian baharu Timbunan protokol kernel Linux nampaknya telah menjadi halangan dan a pembaziran prestasi rangkaian Untuk menyelesaikannya Dalam situasi yang janggal, kernel Linux telah memperkenalkan teknologi baru, teknologi Kernel Bypass Idea teras teknologi Kernel Bypass ialah paket data rangkaian melangkau timbunan protokol kernel dan diproses. secara langsung oleh program pengguna Ini boleh mengelakkan kos protokol kernel, meningkatkan prestasi rangkaian.

XDP ialah teknologi pintasan kernel khusus Linux, yang sepadan dengan teknologi DPDK. DPDK berprestasi baik dari segi prestasi, tetapi ia tidak sesuai sepenuhnya untuk sistem Linux.

1.2 Apakah itu XDP?

XDP ialah teknologi kernel Linux yang mencapai pemprosesan dan penghantaran paket berprestasi tinggi dalam ruang kernel dengan menggunakan mekanisme eBPF.

XDP boleh meningkatkan prestasi rangkaian dengan ketara dan menyediakan antara muka pengaturcaraan yang fleksibel, membolehkan pengguna melaksanakan pelbagai fungsi rangkaian tersuai. Berbanding dengan pemprosesan paket ruang pengguna tradisional, XDP boleh mengurangkan kependaman pemprosesan paket dan penggunaan CPU dengan berkesan.

Mod kerja teknologi XDP:

Mod asli (berprestasi tinggi, memerlukan sokongan kad rangkaian) mod pemacu, menjalankan program XDP dalam pemacu kad rangkaian, dan mengubah hala paket data rangkaian daripada pemacu kad rangkaian Mod ini menyokong lebih banyak kad rangkaian dan mempunyai prestasi tinggi kad menyokong Jika ya, cuba gunakan mod ini.

Mod nyahpasang (prestasi tertinggi, kad rangkaian kurang disokong) menyahpasang program XDP terus ke kad rangkaian Mod ini menyokong beberapa kad rangkaian, jadi kami tidak akan membincangkannya buat masa ini.

Mod universal (prestasi baik, sokongan kernel Linux terbaik) Program XDP berjalan di pintu masuk timbunan protokol kernel Linux tanpa sokongan pemacu Prestasinya lebih rendah daripada dua mod XDP yang lain, tetapi mod universal XDP akan memberi anda prestasi sistem terbaik membawa sedikit peningkatan.

Akan ada topik khas mengenai teknologi XDP pada masa hadapan, jadi kami tidak akan membincangkannya di sini.

2. Prinsip kerja AF_XDP

2.1 Keseluruhan Seni Bina

Ramai pelajar mudah mengelirukan teknologi XDP dan AF_XDP.

• Teknologi XDP ialah teknologi rangkaian baharu berasaskan teknologi BPF.
• AF_XDP ialah senario aplikasi teknologi XDP AF_XDP ialah soket Linux berprestasi tinggi.

AF_XDP perlu dibuat melalui fungsi soket.

socket(AF_XDP, SOCK_RAW, 0);

Teknologi AF_XDP akan melibatkan beberapa perkara pengetahuan penting:

Gambar

• AF_XDP memerlukan kerjasama program XDP untuk menyelesaikan penghantaran dan penerimaan paket data rangkaian.
• Tugas utama program XDP ialah menapis dan mengubah hala paket data berdasarkan maklumat berkaitan bingkai Ethernet, seperti alamat MAC, maklumat quintuple, dsb.
• AF_XDP memproses bingkai data Ethernet, jadi program pengguna menghantar dan menerima bingkai data Ethernet.
• Program pengguna, AF_XDP, XDP akan mengendalikan kawasan memori bersama yang dipanggil UMEM.
• Penerimaan dan penghantaran paket data rangkaian memerlukan penggunaan 4 baris gilir cincin tanpa kunci.

2.2 UMEM memori bersama

Memori kongsi UMEM digunakan melalui fungsi setsockopt.

setsockopt(umem->fd, SOL_XDP, XDP_UMEM_REG, &mr, sizeof(mr));

Memori kongsi UMEM biasanya 4K sebagai satu unit, setiap unit boleh menyimpan satu paket data, memori kongsi UMEM biasanya 4096 unit.

Paket data yang diterima dan dihantar disimpan dalam unit memori UMEM.

Kedua-dua program pengguna dan kernel boleh mengendalikan kawasan memori ini secara langsung, jadi apabila menghantar dan menerima paket data, ia hanyalah salinan memori yang mudah dan tiada panggilan sistem diperlukan.

用户程序需要维护一个UMEM内存使用记录，记录每一个UMEM单元是否已被使用，每个记录都会有一个相对地址，用于定位UMEM内存单元地址。

2.2 无锁环形队列

AF_XDP socket总共有4个无锁环形队列，分别为：

• 填充队列（FILL RING）
• 已完成队列（COMPLETION RING）
• 发送队列（TX RING）
• 接收队列（RX RING）

图片

环形队列创建方式：

//创建FILL RINGsetsockopt(fd, SOL_XDP, XDP_UMEM_FILL_RING,&umem->config.fill_size, sizeof(umem->config.fill_size)); //创建COMPLETION RINGsetsockopt(fd, SOL_XDP, XDP_UMEM_COMPLETION_RING,&umem->config.comp_size, sizeof(umem->config.comp_size));//创建RX RING setsockopt(xsk->fd, SOL_XDP, XDP_RX_RING,&xsk->config.rx_size, sizeof(xsk->config.rx_size));//创建TX RINGsetsockopt(xsk->fd, SOL_XDP, XDP_TX_RING, &xsk->config.tx_size, sizeof(xsk->config.tx_size));

4个环形队列实现方式基本相同，环形队列是对数组进行封装的数据结构，环形队列由5个重要部分组成：

• 生产者序号(producer）

    生产者序号用于指示数组当前可生产的元素位置，如果队列已满，将不能再生产。

• 消费者序号(consumer)

    消费者序号用于指示当前可消费的元素位置，如果队列已空，将不能再消费。

• 队列长度（len）

    队列长度即数组长度。

• 队列掩码（mask）

    mask=len-1，生产者和消费者序号不能直接使用，需要配合掩码使用，producer，consumer和mask进行与运算，可以获取到数组的索引值。

• 固定长度数组

数组的每一个元素记录了UMEM单元的相对地址，如果UMEM单元有发送和接收的数据包，还会记录数据包的长度。

环形队列的无锁化通过原子变量来实现，原子变量和原子操作在高性能编程中经常会用到。

2.3 AF_XDP接收数据包

 AF_XDP接收数据包需要FILL RING，RX RING两个环形队列配合工作。

第一步：XDP程序获取可用UMEM单元。

FILL RING记录了可以用来接收数据包的UMEM单元数量，用户程序根据UMEM使用记录，定期的往FILL RING生产可用UMEM单元。

 第二步：XDP填充新的接收数据包

XDP程序消费FILL RING中UMEM单元用于存放网络数据包，接收完数据包后，将UMEM单元和数据包长度重新打包，填充至RX RING队列，生产一个待接收的数据包。

 第三步：用户程序接收网络数据包

用户程序检测到RX RING有待接的收数据包，消费RX RING中数据包，将数据包信息从UMEM单元中拷贝至用户程序缓冲区，同时用户程序需要再次填充FILL RING队列推动XDP继续接收数据。

图片

2.4 AF_XDP发送数据包

AF_XDP发送数据包需要COMP RING，TX RING两个环形队列配合工作。

第一步：用户程序确保有足够的UMEM发送单元

COMP RING记录了已完成发送的数据包（UMEM单元）数量，用户程序需要回收这部分UMEM单元，确保有足够的UMEM发送单元。

第二步：用户程序发送数据包

用户程序申请一个可用的UMEM单元，将数据包拷贝至该UMEM单元，然后生产一个待发送数据包填充值TX RING。

第三步：XDP发送数据包

XDP程序检测到TX RING中有待发送数据包，从TX RING消费一个数据包进行发送，发送完成后，将UMEM单元填充至COMP RING，生产一个已完成发送数据包，用户程序将对该数据包UMEM单元进行回收。

图片

3. AF_XDP高效的秘密

AF_XDP之所以高效，主要有三大原因：

• 内核旁路技术

内核旁路技术在处理网络数据包的时候，可以跳过Linux内核协议栈，相当于走了捷径，这样可以降低链路开销。

• 内存映射

用户程序和内核共享UMEM内存和无锁环形队列，采用mmap技术将内存进行映射，用户操作UMEM内存不需要进行系统调用，减少了系统调用上下文切换成本。

• 无锁环形队列

无锁环形队列采用原子变量实现，可以减少线程切换和上下文切换成本。

基于以上几点，AF_XDP必然是一个高性能的网络技术，由于目前没有一个能够测试XDP极限性能的测试环境，大家如果对AF_XDP技术感兴趣，可以自行上网搜索相关资料。

Atas ialah kandungan terperinci Mari kita bercakap tentang raja prestasi rangkaian Linux—teknologi XDP. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!