可编程网卡芯片在滴滴云网络的应用实践

用户头像
滴滴技术
关注
发布于: 2020 年 09 月 03 日
可编程网卡芯片在滴滴云网络的应用实践







桔妹导读:随着云规模不断扩大以及业务层面对延迟、带宽的要求越来越高,采用DPDK 加速网络报文处理的方式在横向纵向扩展都出现了局限性。可编程芯片成为业界热点。本文主要讲述了可编程网卡芯片在滴滴云网络中的应用实践,遇到的问题、带来的收益以及开源社区贡献。



1. 数据中心面临的问题

随着滴滴云规模的不断扩大,业务层面对延迟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方案。DPDK是X86平台报文快速处理的库和驱动的集合, 其主要优势为通过Bypass Linux内核,Hugepage内存以及PMD(Poll Mode Driver)模型驱动的方式实现加速。我们为OVS-DPDK提供了在线热升级功能,该功能保证了在升级过程中虚拟机业务无感知,并且网络Downtime时间为毫秒级别。同时我们优化了OVS-DPDK数据转发平面。实现了不同物理主机上的虚拟机网络延迟<150us,单核性能约~400w pps(双向)。(具体介绍见使用 OVS-DPDK 加速滴滴云网络)

 

滴滴内部上云、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处理报文的方式,虽然在性能以及延迟方面远优于基于Linux 内核的转发实现。但CPU DPDK已经不能满足数据中心流量激增带来的需求。



2. 技术方案选择



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,一般会使用1-2 CPU用于数据报文处理。同时DPDK 处理数据报文的性能强依赖CPU算力。因此在计算节点网络的横向扩展以及纵向扩展都具有局限性。



在边际网关节点,我们可以通过扩展服务器的方式,提高网络处理容量进而满足业务需求。但是大规模的扩展服务器,需要承担更多的机器、功耗以及运维成本。



软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是一种新型网络创新架构,是网络虚拟化的一种实现方式。其核心思想是将网络设备的控制面与数据面分离开来。控制层面可以通过集中控制的方式实现不同的业务逻辑:拓扑发现,路由管理,安全策略,网络虚拟化等。数据平面更专注在数据报文转发。2018年AWS re:Invent,AWS 介绍了Nitro System。该系统通过硬件芯片加速虚拟机IO处理(网络、存储、安全等)。





目前工业界,加速网络处理的焦点聚集到了硬件层面: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 硬件芯片选择



传统AISC卡

该卡比较成熟,但业务逻辑固定,很难适应云上复杂的业务场景。



可编程门队列FPGA

FPGA 实现网络加速需要专业FPGA技术人员,以及专业网络RD。同时在成本,和研发周期都需要具有一定的局限性。





P4

P4 具有灵活的可编程性,较为合适做为网关节点数据处理。并不适合在计算节点使用。同时价格也是需要考虑的因素。



可编程网卡芯片

通过调研发现,可编程网卡除了具有通用网卡的功能外,还可以通过下发流表规则的方式,实现报文匹配并对报文执行特定的action如:修改,封装,以及转发、上送报文至CPU等。这种具有灵活性、可编程性的‍‍硬件芯片,能够满足快速迭代的需求。





3.2 转发模型



为了满足网元业务灵活性、多样性的需求,我们将网元业务和底层平台功能分离,舍去了传统的数据面Pipeline转发模型,采用了类似Open Flow的macth+action的方式。这样不同的match规则和不同action 匹配能够实现不同的业务逻辑。这种弱依赖的关系能够剥离了业务和底层细节,方便业务功能迭代、快速上线,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,云上网络的功能也复杂化。为了统一计算节点以及网关节点功能,我们实现了统一的编程框架。这样能够快速开发不同功能的网关节点,减少运维负担。



3.4 落地实践



我们基于OVS-DPDK Offload 框架实现流表规则offload。OVS 采用首个报文触发的方式下发硬件流表规则,该方式的优点为在必须的时候下发规则,能够达到节省流表的目的,但是缺点却会导致首个报文延迟。经调研我们发现网卡支持至少百万级流表量(使用x86内存或者其他扩展内存),最终我们舍去OVS-DPDK ofproto 转发层,使用dpctl 接口下发流表,这样就不存在首个报文延迟问题,同时也缩减了使用TC Flower时数据面过多问题(这些转发平面包括:硬件芯片转发,TC数据面,OVS Linux 内核模块转发,以及ofproto层)。我们修改了OVS-DPDK 流表老化方式,保证通过dpctl 下发的规则不会被删除。最后通过upcall limit 限制了upcall 报文处理。



滴滴云网络数据平面主要分为两大部分:计算节点和网关节点。计算节点主要负责虚拟机、容器网络的虚拟化,网关节点主要负责各种边际节点业务如:SLB负载均衡、vRouter EIP报文处理,分流器、SNAT、FullNAT、云企业网等。可编程网卡芯片通过平台化的方式在两个主要节点均有应用。





SLB负载均衡提供四层负载均衡,根据用户策略将underlayer网络报文分发到虚拟网络服务节点。vRouter提供弹性EIP服务。用户可以将一个公网IP地址绑定到虚拟机、容器、或者裸金属,从而获得公网访问功能。iRouter将滴滴数据中心和滴滴云虚拟网络打通,滴滴数据中心可以方便快捷的访问云上资源。SNAT



为虚拟机、容器以及裸金属提供访问公网服务。云企业网互联互联服务支持将滴滴云上的多个VPC网络加入云互联,任意两个VPC网络即可实现资源之间的互访。计算节点在计算节点主要有两大应用场景: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,报文修改,公网服务),RDMA网络。另外一个场景使用智能网卡为裸金属提供VPC服务。



3.5 遇到的问题



OVS-DPDK 支持Offload 程度有限

首先OVS 社区并对DPDK Offload接口(rte flow)支持有限:实现的action非常有限。需要使用者独立完成开发:如set action,meter offload,vxlan 隧道报文处理等。



端口转发限制

目前mellanox网卡芯片并不支持从一个PF端口转发到该芯片另一个端口, 最终我们通过SRIOV+Hairpin的方式解决该问题。据了解后续的网卡芯片开始支持该功能(功能也受限于固件)。



Open vSwitch Crash

在删除包含meter action 流表规则时,OVS 进程退出。该问题最终确认为DPDK的一个bug,目前该问题已经修复,发送到社区并接收。http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=0d7d180a0dda4b97021fc1f580d6bfe3b42a332d



调用DPDK Meter API 接口导致crash。目前该问题已经修复,发送到社区并接收。

http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=4f19f4140e058c92822f228dcdc55c44bd88b613



修改OVS 配置导致删除offload flow crash,目前该问题已经修复,发送到社区并接收。https://github.com/openvswitch/ovs/commit/058b80d3de31b2c539d9e6f5f6687bde78ef08e9



Meter offload

OVS社区没有实现该功能,我们根据业务特征抽象出接口并在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。



Decap/Encap 流表限制

下发多条带有decap/encap的流表规则时报错。该问题最终确认为DPDK的一个bug,目前该问题已经修复,与社区maintainer 协同修复。http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=64927f72a72fad39898b084e0cf66cc97b40959f



Decap + Meter action限制

decap + meter 做为action 下发规则时失败。该问题最终确认为DPDK的一个bug,目前该问题已经修复,与社区maintainer 协同修复http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=431f199883e5b7eeea87a2f9f0272daf3354c1da



Hairpin 性能问题

在高并发情况下,mellanox 网卡芯片性能会下降约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方式。



流表数目限制

通过删除流表上限修复该问题:https://github.com/openvswitch/ovs/commit/df5c293642cc07013e796e588eb7aead917e20a1



MAC 地址对VxLAN的影响

物理主机源MAC地址变更后vxlan 报文依旧使用原来MAC地址,这样会导致收不到响应报文:

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/? id=6707f74be8621ae067d2cf1c4485900e2742c20f



多次修改报文不生效问题

多次使用TC Flower pedit 修改报文,offload 不生效问题, 最终确认是内核驱动问题:

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/?id=218d05ce326f9e1b40a56085431fa1068b43d5d9



配置vf rate、mac不当导致内核crashhttps://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/? id=6e77c413e8e73d0f36b5358b601389d75ec4451c

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/? id=24319258660a84dd77f4be026a55b10a12524919



3.6 性能数据





4. 开源社区贡献

除了为开源社区提供 bug patch,我们也将新增特性、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规划、设计、以及研发等工作。为公有云提供负载均衡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求,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领域均有广泛深入的研究。团队具有多名开源社区contributor,涉及OVS、DPDK、Linux 内核等。



作者介绍

专注于高性能网络技术,从事云网络研发工作。活跃于Linux 内核、OVS、DPDK开源社区。



延伸阅读







内容编辑 | Charlotte & Teeo

联系我们 | DiDiTech@didiglobal.com





发布于: 2020 年 09 月 03 日 阅读数: 71
用户头像

滴滴技术

关注

还未添加个人签名 2020.06.29 加入

滴滴出行官方技术号

评论

发布
暂无评论
可编程网卡芯片在滴滴云网络的应用实践