绝对干货！初学者也能看懂的DPDK解析一、网络IO的处境和趋势从我们

一、网络IO的处境和趋势
从我们用户的使用就可以感受到网速一直在提升，而网络技术的发展也从1GE/10GE/25GE/40GE/100GE的演变，从中可以得出单机的网络IO能力必须跟上时代的发展。
1. 传统的电信领域
IP层及以下，例如路由器、交换机、防火墙、基站等设备都是采用硬件解决方案。基于专用网络处理器（NP），有基于FPGA ，更有基于ASIC的。但是基于硬件的劣势非常明显，发生Bug不易修复，不易调试维护，并且网络技术一直在发展，例如2G/3G/4G/5G等移动技术的革新，这些属于业务的逻辑基于硬件实现太痛苦，不能快速迭代。传统领域面临的挑战是急需一套软件架构的高性能网络IO开发框架。
2. 云的发展
私有云的出现通过网络功能虚拟化（NFV）共享硬件成为趋势， NFV的定义是通过标准的服务器、标准交换机实现各种传统的或新的网络功能。急需一套基于常用系统和标准服务器的高性能网络IO开发框架。
3. 单机性能的飙升
网卡从1G到100G的发展， CPU从单核到多核到多CPU的发展，服务器的单机能力通过横行扩展达到新的高点。但是软件开发却无法跟上节奏，单机处理能力没能和硬件门当户对，如何开发出与时并进高吞吐量的服务，单机百万千万并发能力。即使有业务对QPS要求不高，主要是CPU密集型，但是现在大数据分析、人工智能等应用都需要在分布式服务器之间传输大量数据完成作业。这点应该是我们互联网后台开发最应关注，也最关联的。
二、Linux + x86网络IO瓶颈
根据经验，在C1（8核）上跑应用每1W包处理需要消耗1%软中断CPU ，这意味着单机的上限是100万PPS（Packet Per Second）。从TGW（Netfilter版）的性能100万PPS ， AliLVS优化了也只到150万PPS ，并且他们使用的服务器的配置还是比较好的。假设，我们要跑满10GE网卡，每个包64字节，这就需要2000万PPS（注：以太网万兆网卡速度上限是1488万PPS ，因为最小帧大小为84B《Bandwidth, Packets Per Second, and Other Network Performance Metrics》）， 100G是2亿PPS ，即每个包的处理耗时不能超过50纳秒。而一次Cache Miss ，不管是TLB、数据Cache、指令Cache发生Miss ，回内存读取大约65纳秒， NUMA体系下跨Node通讯大约40纳秒。所以，即使不加上业务逻辑，即使纯收发包都如此艰难。我们要控制Cache的命中率，我们要了解计算机体系结构，不能发生跨Node通讯。
从这些数据，我希望可以直接感受一下这里的挑战有多大，理想和现实，我们需要从中平衡。问题都有这些
1.传统的收发报文方式都必须采用硬中断来做通讯，每次硬中断大约消耗100微秒，这还不算因为终止上下文所带来的Cache Miss 。
2.数据必须从内核态用户态之间切换拷贝带来大量CPU消耗，全局锁竞争。
3.收发包都有系统调用的开销。
4.内核工作在多核上，为可全局一致，即使采用Lock Free ，也避免不了锁总线、内存屏障带来的性能损耗。
5.从网卡到业务进程，经过的路径太长，有些其实未必要的，例如netfilter框架，这些都带来一定的消耗，而且容易Cache Miss 。
需要C/C++ Linux高级服务器架构师学习资料后台私信“资料”（包括C/C++ ， Linux ， golang技术， Nginx ， ZeroMQ ， MySQL ， Redis ， fastdfs ， MongoDB ， ZK ，流媒体， CDN ， P2P ， K8S ， Docker ， TCP/IP ，协程， DPDK ， ffmpeg等）
文章插图
三、DPDK的基本原理
从前面的分析可以得知IO实现的方式、内核的瓶颈，以及数据流过内核存在不可控因素，这些都是在内核中实现，内核是导致瓶颈的原因所在，要解决问题需要绕过内核。所以主流解决方案都是旁路网卡IO ，绕过内核直接在用户态收发包来解决内核的瓶颈。
DPDK旁路原理：
文章插图
左边是原来的方式数据从网卡 -> 驱动 -> 协议栈 -> Socket接口 -> 业务
右边是DPDK的方式，基于UIO（Userspace I/O）旁路数据。数据从网卡 -> DPDK轮询模式-> DPDK基础库 -> 业务
用户态的好处是易用开发和维护，灵活性好。并且Crash也不影响内核运行，鲁棒性强。
DPDK支持的CPU体系架构：x86、ARM、PowerPC（PPC）
DPDK支持的网卡列表：，我们主流使用Intel 82599（光口）、Intel x540（电口）
四、DPDK的基石UIO
为了让驱动运行在用户态， Linux提供UIO机制。使用UIO可以通过read感知中断，通过mmap实现和网卡的通讯。