Labs 導(dǎo)讀

眾所周知，在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，傳統(tǒng)廠商如華為、中興、思科等均是用自己的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平臺配合硬件板卡轉(zhuǎn)發(fā)，也就是我們俗稱的硬轉(zhuǎn)發(fā)。近些年，隨著SDN/NFV等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)興起，使用x86平臺CPU轉(zhuǎn)發(fā)的需求不斷的被提及，發(fā)展迅速，也相應(yīng)的出現(xiàn)了一些開源的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，比如Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)，Linux內(nèi)核中有豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，能處理基本的網(wǎng)絡(luò)二三層轉(zhuǎn)發(fā)、NAT、ACL等功能，但是Linux內(nèi)核最大的問題是性能不夠高，難以適應(yīng)海量級用戶轉(zhuǎn)發(fā)。

Part 01、VPP簡介 

VPP全稱Vector Packet Processing，據(jù)說是Cisco 2002年開發(fā)的商用代碼。2016年2月11號，Linux基金會創(chuàng)建FD.io項目。Cisco將VPP代碼的開源版本加入該項目，目前已成為該項目的核心。VPP運行于用戶空間，支持多種收包方式，最常用的就是DPDK收發(fā)包。VPP有兩個關(guān)鍵特性：

• 框架可擴展
• 成熟的交換/路由功能

VPP是一個模塊化和可擴展的軟件框架，用于創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面應(yīng)用程序。更重要的是，VPP代碼為現(xiàn)代通用處理器平臺(x86、ARM、PowerPC等)而生，并把重點放在優(yōu)化軟件和硬件接口上，以便用于實時的網(wǎng)絡(luò)輸入輸出操作和報文處理。

為了提高性能，VPP數(shù)據(jù)平面是由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的有向圖組成，這些節(jié)點在每次調(diào)用時處理多個數(shù)據(jù)包。階段模塊化設(shè)計框架允許任何人“插入”新的圖形節(jié)點，而不需要更改核心/內(nèi)核代碼。

Part 02  VPP的技術(shù)原理 

所謂VPP向量報文處理是與傳統(tǒng)的標量報文處理相對而言的。傳統(tǒng)報文處理方式，同時也是人類常用的邏輯思維方式，即：報文是按照到達先后順序來處理，第一個報文處理完，處理第二個，依次類推；A callsB calls C….return return return，函數(shù)會頻繁嵌套調(diào)用，并最終返回。Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)、OpenVswitch的報文處理都是標量報文處理。

由此可見，傳統(tǒng)標量報文處理有如下缺陷：

1、I-cache 抖動(cache時間局限性和空間局限性特點)

2、I-cache misses

3、除了擴大cache外，沒有變更方案。

相比較而言，向量報文處理則是一次處理多個報文，也相當于一次處理一個報文數(shù)組packet[n]如下圖：

直白來說，標量報文處理，也就是傳統(tǒng)的報文處理，一次是一個包走完整個轉(zhuǎn)發(fā)流水線，因為轉(zhuǎn)發(fā)流水線上包含各類的功能，比如以太處理、IP處理、ARP處理、策略處理、NAT處理等等，每個處理模塊在CPU中是不同的指令去完成，所以一個包順序的走完這些流程，導(dǎo)致CPU cache中緩存的指令不能復(fù)用，所以會產(chǎn)生抖動，勢必影響轉(zhuǎn)發(fā)效率。而向量報文處理，一次性處理一組向量的報文，一個處理模塊一次性處理多個報文，CPU cache中緩存的指令能夠最大程度得到復(fù)用，效率自然會高。

VPP把一批底層硬件隊列Rx ring收到的包，組成一個Packet Vector或者是一組包，借助于報文處理圖Packet Processing graph來實現(xiàn)處理流程，圖節(jié)點graph node把整個過程分解為一個個先后連接的服務(wù)node。這一組包（packet vector）被第一個graph node節(jié)點的任務(wù)處理，然后依次被第二個graph node節(jié)點的任務(wù)處理，依次類推，如下圖所示：

Part 03、  VPP的擴展性  

上圖中提到了新功能的插入。縱觀其他軟轉(zhuǎn)軟件比如Linux kernel協(xié)議棧、open vswitch，整個轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議棧代碼基本上是分層的，一個總的入口函數(shù)，然后根據(jù)不同的處理模塊，進入不同層次的處理函數(shù)，如果在某部分新增處理模塊，需要修改主框架的函數(shù)邏輯，業(yè)務(wù)和主框架未解耦，擴展起來不夠靈活。

而VPP則不是，VPP采用一種新的思路來實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能處理，VPP是通過graph node串聯(lián)起來形成一條數(shù)據(jù)路徑來處理報文，每一個功能模塊是一個獨立的node實現(xiàn)，VPP的總體調(diào)度框架把這些node串聯(lián)起來，node之間可以指定優(yōu)先級和前后關(guān)系，相互獨立，調(diào)整起來只需要改變優(yōu)先級和先后關(guān)系。另外，如果新增功能，只需新增一個node，在node中實現(xiàn)新增功能邏輯，然后插入到相應(yīng)node前后，不用的時候可以disable掉，非常方便，而且新增node可以以插件形式編譯，做到即插即用。

舉個例子，正常的處理順序：DPDK收包node ---> 以太處理node  --> IP輸入node --> IP路由查找node --> 輸出node。新增一個需求，需要DPI匹配指導(dǎo)轉(zhuǎn)發(fā)，那么DPI功能單獨寫成一個node，插入到IP輸入node和IP路由查找node之間，就ok了。

Part 04、VPP的應(yīng)用 

前面提到過，VPP是個高性能轉(zhuǎn)發(fā)的開源軟件，在如今SDN、NFV、云化、算力網(wǎng)絡(luò)的時代，他會發(fā)揮更大的價值。VPP可以在云化場景中作為軟路由器/交換機來使用，比如SD-WAN場景中，云端POP點需要具備接入、策略轉(zhuǎn)發(fā)、路由、NAT、隧道等能力，VPP因其豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧功能以及高性能處理能力，能夠勝任。比如安全場景中，VPP可以應(yīng)用于企業(yè)出口，做安全網(wǎng)關(guān)來使用，再比如，5G核心網(wǎng)中的UPF，也可以使用VPP來實現(xiàn)。總之，需要軟轉(zhuǎn)發(fā)的地方，總會出現(xiàn)VPP的身影。

Part 05、 后記  

前面提到VPP有諸多變革性的優(yōu)點，比如豐富的二三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、新增業(yè)務(wù)開發(fā)靈活可擴展、高性能轉(zhuǎn)發(fā)等等，但它也不是萬能的，VPP的代碼上手難度比OVS和Linux內(nèi)核要高，另外和其他控制面軟件在交互的時候，還略有不足，比如對接路由開源軟件frrouting，需要通過自身的router插件來實現(xiàn)對接，但是router插件很早之前便沒有更新了，功能有所欠缺。同時，VPP本身的穩(wěn)定性并未達到商用標準，需要使用者在使用的過程中不斷的修復(fù)和完善，當然，VPP社區(qū)也在不斷的更新，補充更加豐富的功能以及BUG修復(fù)，但要想把開源VPP改造成一個成熟的可商用的穩(wěn)定產(chǎn)品，還有很多工作要做，同時也相信VPP會越來越好。