高性能转发领域的重要功臣——VPP开源代码

Labs 导读

众所周知，在数据通信领域，传统厂商如华为、中兴、思科等均是用自己的网络转发平台配合硬件板卡转发，也就是我们俗称的硬转发。近些年，随着SDN/NFV等新型网络技术兴起，使用x86平台CPU转发的需求不断的被提及，发展迅速，也相应的出现了一些开源的网络操作系统，比如Linux内核转发，Linux内核中有丰富的网络协议栈，能处理基本的网络二三层转发、NAT、ACL等功能，但是Linux内核最大的问题是性能不够高，难以适应海量级用户转发。

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Part 01、VPP简介 

VPP全称Vector Packet Processing，据说是Cisco 2002年开发的商用代码。2016年2月11号，Linux基金会创建FD.io项目。Cisco将VPP代码的开源版本加入该项目，目前已成为该项目的核心。VPP运行于用户空间，支持多种收包方式，最常用的就是DPDK收发包。VPP有两个关键特性：

• 框架可扩展
• 成熟的交换/路由功能

VPP是一个模块化和可扩展的软件框架，用于创建网络数据面应用程序。更重要的是，VPP代码为现代通用处理器平台(x86、ARM、PowerPC等)而生，并把重点放在优化软件和硬件接口上，以便用于实时的网络输入输出操作和报文处理。

为了提高性能，VPP数据平面是由转发节点的有向图组成，这些节点在每次调用时处理多个数据包。阶段模块化设计框架允许任何人“插入”新的图形节点，而不需要更改核心/内核代码。

Part 02  VPP的技术原理 

所谓VPP向量报文处理是与传统的标量报文处理相对而言的。传统报文处理方式，同时也是人类常用的逻辑思维方式，即：报文是按照到达先后顺序来处理，第一个报文处理完，处理第二个，依次类推；A callsB calls C….return return return，函数会频繁嵌套调用，并最终返回。Linux内核转发、OpenVswitch的报文处理都是标量报文处理。

由此可见，传统标量报文处理有如下缺陷：

1、I-cache 抖动(cache时间局限性和空间局限性特点)

2、I-cache misses

3、除了扩大cache外，没有变更方案。

相比较而言，向量报文处理则是一次处理多个报文，也相当于一次处理一个报文数组packet[n]如下图：

直白来说，标量报文处理，也就是传统的报文处理，一次是一个包走完整个转发流水线，因为转发流水线上包含各类的功能，比如以太处理、IP处理、ARP处理、策略处理、NAT处理等等，每个处理模块在CPU中是不同的指令去完成，所以一个包顺序的走完这些流程，导致CPU cache中缓存的指令不能复用，所以会产生抖动，势必影响转发效率。而向量报文处理，一次性处理一组向量的报文，一个处理模块一次性处理多个报文，CPU cache中缓存的指令能够最大程度得到复用，效率自然会高。

VPP把一批底层硬件队列Rx ring收到的包，组成一个Packet Vector或者是一组包，借助于报文处理图Packet Processing graph来实现处理流程，图节点graph node把整个过程分解为一个个先后连接的服务node。这一组包（packet vector）被第一个graph node节点的任务处理，然后依次被第二个graph node节点的任务处理，依次类推，如下图所示：

Part 03、  VPP的扩展性  

上图中提到了新功能的插入。纵观其他软转软件比如Linux kernel协议栈、open vswitch，整个转发协议栈代码基本上是分层的，一个总的入口函数，然后根据不同的处理模块，进入不同层次的处理函数，如果在某部分新增处理模块，需要修改主框架的函数逻辑，业务和主框架未解耦，扩展起来不够灵活。

而VPP则不是，VPP采用一种新的思路来实现业务功能处理，VPP是通过graph node串联起来形成一条数据路径来处理报文，每一个功能模块是一个独立的node实现，VPP的总体调度框架把这些node串联起来，node之间可以指定优先级和前后关系，相互独立，调整起来只需要改变优先级和先后关系。另外，如果新增功能，只需新增一个node，在node中实现新增功能逻辑，然后插入到相应node前后，不用的时候可以disable掉，非常方便，而且新增node可以以插件形式编译，做到即插即用。

举个例子，正常的处理顺序：DPDK收包node ---> 以太处理node  --> IP输入node --> IP路由查找node --> 输出node。新增一个需求，需要DPI匹配指导转发，那么DPI功能单独写成一个node，插入到IP输入node和IP路由查找node之间，就ok了。

Part 04、VPP的应用 

前面提到过，VPP是个高性能转发的开源软件，在如今SDN、NFV、云化、算力网络的时代，他会发挥更大的价值。VPP可以在云化场景中作为软路由器/交换机来使用，比如SD-WAN场景中，云端POP点需要具备接入、策略转发、路由、NAT、隧道等能力，VPP因其丰富的网络协议栈功能以及高性能处理能力，能够胜任。比如安全场景中，VPP可以应用于企业出口，做安全网关来使用，再比如，5G核心网中的UPF，也可以使用VPP来实现。总之，需要软转发的地方，总会出现VPP的身影。

Part 05、 后记  

前面提到VPP有诸多变革性的优点，比如丰富的二三层网络协议栈、新增业务开发灵活可扩展、高性能转发等等，但它也不是万能的，VPP的代码上手难度比OVS和Linux内核要高，另外和其他控制面软件在交互的时候，还略有不足，比如对接路由开源软件frrouting，需要通过自身的router插件来实现对接，但是router插件很早之前便没有更新了，功能有所欠缺。同时，VPP本身的稳定性并未达到商用标准，需要使用者在使用的过程中不断的修复和完善，当然，VPP社区也在不断的更新，补充更加丰富的功能以及BUG修复，但要想把开源VPP改造成一个成熟的可商用的稳定产品，还有很多工作要做，同时也相信VPP会越来越好。

网页题目：高性能转发领域的重要功臣——VPP开源代码
标题链接：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news32/513932.html

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