UDPDK

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UDPDK é uma pilha UDP mínima baseada em DPDK para comunicação rápida ponto a ponto entre servidores.
Ele é executado completamente no espaço do usuário, para que você possa mover seus pacotes rapidamente sem passar pela complicada pilha do kernel.
Além disso, graças à sua API semelhante ao POSIX, portar aplicativos existentes para UDPDK é extremamente fácil! ¹

O que é UDPDK:

• Uma pilha de rede em nível de transporte
• Uma implementação semelhante a POSIX de soquetes UDP sobre DPDK
• Uma estrutura para troca de pacotes de baixa latência

O que UDPDK NÃO é:

• Uma pilha IP completa
• Um mecanismo para interconectar grandes nós de redes
• Um software executado em NICs de consumo de baixo custo

¹ Alguns recursos ainda podem não ser suportados.

Índice

• UDPDK
  • Requisitos
  • Instalar dependências
  • Instale o UDPDK
  • API
  • Exemplos
  • Como funciona
  • Desempenho
  • Licença
  • Citando
  • Contribuindo

Requisitos

Para usar o UDPDK, suas máquinas devem estar equipadas com NICs habilitadas para DPDK; eles são normalmente encontrados em servidores, não em laptops e desktops. A lista de hardware oficialmente suportado pelo DPDK está disponível aqui. Especificamente, o UDPDK foi desenvolvido e testado no Intel X710-DA2 com drivers igb_uio e vfio ; outros dispositivos devem funcionar desde que o DPDK os suporte.

Instalar dependências

O UDPDK requer:

• DPDK 20.05
• inih (qualquer)

Eles já estão incluídos neste repositório como submódulos, então extraia-os:

 git submodule init
git submodule update

DPDK

DPDK é o elemento central do UDPDK. Ele gerencia a NIC e implementa Ethernet.

 cd dpdk/usertools
./dpdk-setup.sh

No menu, faça o seguinte:

1. Compile para seu arco específico, geralmente x86_64-native-linuxapp-gcc
2. Carregue o módulo vfio
3. Configure páginas enormes (por exemplo, 1024M para cada nó NUMA)
4. Vincule a NIC ao driver vfio, especificando seu endereço PCI

️ Se você usar o driver VFIO , deverá habilitar o IOMMU em seu sistema.
Para habilitá-lo, abra /etc/default/grub , adicione o sinalizador intel_iommu=on em GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT , então sudo update-grub e finalmente reinicie.

inih

inih é usado por conveniência para analisar arquivos de configuração .ini .

 cd inih
meson build
cd build
ninja

Construa e instale o UDPDK

O UDPDK é construído em uma biblioteca estática, que eventualmente precisa ser vinculada ao aplicativo final.

 cd udpdk
make
sudo make install

API

A API do UDPDK se assemelha muito à dos bons e velhos soquetes BSD:

 int udpdk_socket(int domain, int type, int protocol);
int udpdk_bind(int s, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t *optlen);
ssize_t udpdk_sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t udpdk_recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
int udpdk_close(int s);

Além disso, os seguintes métodos são necessários para a configuração e desmontagem adequadas dos componentes internos do DPDK (estruturas e processos):

 int udpdk_init(int argc, char *argv[]);
void udpdk_interrupt(int signum);
void udpdk_cleanup(void);

Nota: select() ainda não está implementado

Exemplos

A pasta apps/ contém dois exemplos simples: um aplicativo ping-pong e um aplicativo pkt-gen.

Como funciona

O UDPDK é executado em dois processos separados: o primário é aquele que contém a lógica da aplicação (ou seja, onde as syscalls são chamadas), enquanto o secundário ( poller ) sonda continuamente a NIC para enviar e receber dados. Os pacotes são trocados entre o aplicativo e o poller por meio de memória compartilhada, usando filas em anel sem bloqueio.

Desempenho

Comparamos o UDPDK com os soquetes UDP padrão em termos de taxa de transferência e latência.

Ambiente

Dois servidores idênticos estão conectados ponto a ponto em uma interface 10G. Suas especificações são:

Processador: Intel Xeon E5-2640 a 2,4 GHz
RAM: 64 GB
SO: Ubuntu 18.04
Núcleo: 4.15.0
Placa de rede: Intel X710 DA2 10GbE
Driver NIC: VFIO (DPDK) ou i40e (soquetes normais)

Taxa de transferência

Medimos o rendimento máximo alcançado variando o tamanho do pacote.
Este último inclui os cabeçalhos UDP, IP e MAC.

Conforme mostrado na imagem, o UDPDK é até 18x melhor que os soquetes tradicionais.
Deve-se notar que o UDPDK satura a conexão 10G, que infelizmente é tudo o que tínhamos: uma interface 40G definitivamente a faria brilhar!

Latência

Medimos a latência e seu jitter.
Novamente, o UDPDK prova ser uma ordem de magnitude melhor que os soquetes padrão.

	UDPDK	Padrão
Média (μs)	13,92	116,57
Padrão (μs)	0,74	18h49

Licença

O código do UDPDK é lançado sob a licença BSD de 3 cláusulas.

Citando

Este trabalho foi apresentado na IEEE NFV-SDN 2021, a 7ª Conferência IEEE sobre Virtualização de Funções de Rede e Redes Definidas por Software. Os autores são: L. Lai, G. Ara, T. Cucinotta, K. Kondepu, L. Valcarenghi.

Lai, Leonardo, et al. "Serviços NFV de latência ultrabaixa usando DPDK" Conferência IEEE 2021 sobre virtualização de funções de rede e redes definidas por software (NFV-SDN). IEEE, 2021.

Contribuindo

Todos são mais que bem-vindos para contribuir com o UDPDK implementando novos recursos, estendendo os existentes ou simplesmente relatando bugs/problemas.