五分鐘看懂抓包神技：DPDK
- 2020 年 11 月 13 日
- 筆記
我是一個網路監控軟體，我被開發出來的使命就是監控網路中進進出出的所有通訊流量。
一直以來，我的工作都非常的出色，但是隨著我監控的網路越來越龐大，網路中的通訊流量也變得越來越多，我開始有些忙不過來了，逐漸發生丟包的現象，而且最近這一現象越發的嚴重了。
萬兆流量需求
一天晚上，程式設計師哥哥把我從硬碟上叫了起來。
「這都幾點了，你怎麼還不下班啊？」，我問小哥哥。
「哎，產品經理說了，讓我下個月必須支援萬兆網路流量的分析，我這壓力可大了，沒辦法只好加班了。」，說完整理了一下自己那日益稀疏的頭髮。
「萬兆？10Gbps？開玩笑呢吧？這是要累死我的節奏啊」
「可不是嗎，可愁死我了。你快給我說說，你工作這麼久了，有沒有乾的不爽的或者覺得可以改進的地方都可以給我說說」，小哥哥真誠的看著我。
我思考了片刻說到：「要說乾的不爽的，還真有！就是我現在花了太多時間在拷貝數據包了，把數據包從內核空間拷貝到用戶態空間，以前數據量小還行，現在網路流量這麼大，可真是要了我的老命了。」
小哥哥嘆了口氣，「哎，這個改不了，數據包是通過作業系統的API獲取的，作業系統又是從網卡那裡讀取的，咱們是工作在用戶空間的程式，必須要拷貝一次，這沒辦法。你再想想別的？」
我也嘆了口氣，「那行吧，還有一個槽點，數據包收到後能不能直接交給我，別交給系統的協議棧和netfilter框架他們去處理了，反正我拿來後也要重新分析，每次都從他們那裡過一次，他們辦事效率又低，這不拖累我的工作嘛」
小哥哥皺著眉頭，眨了眨眼睛說到：「大兄弟，這個咱也改不了啊，我這水平也有限，我還沒有能力改造你繞過作業系統讓你直接去跟網卡打交道啊。要不，要不你再說一個？嘿嘿」
「好吧，我也就不為難你了。有個簡單的問題，你可得改一下」
「什麼問題，說說看？」
「就是我現在花了很多時間在執行緒切換上，等到再次獲得調度執行後，經常發現換了一個CPU核，導致之前的快取都失效了，得重新建立快取，這又是一個很大的浪費啊！能不能讓我的工作執行緒獨佔CPU的核心，這樣我肯定能提高不少工作效率！」
小哥哥稍微思考了一下，說到：「沒問題，這個可以有！用執行緒親和性就可以搞定，給你劃幾個核出來，不讓它們參與系統的執行緒調度分配，專門給你用，這事就包在我身上吧！」
中斷問題
過了幾天，程式設計師哥哥對我進行了升級改造，讓我的幾個工作執行緒都能獨佔CPU核，工作效率提升了不少。
不過，距離產品經理要求的萬兆流量分析指標，那還是差了一大截。
一天晚上，程式設計師小哥哥又找我聊了起來。
「現在分析能力確實有所提升，不過離目標還差得遠啊，你快給我說說，還有沒有改進的建議給我啊？」
「有倒是有，但是我估計你還是會說改不了」，我翻了個白眼。
「你先說說看嘛！」
「現在這個數據包是用中斷的形式來通知讀取的，能不能不用中斷，讓我自己去取啊？你是不知道，每次中斷都要保存上下文，從用戶態切換到內核態，那麼多流量，這開銷大了去了！」，我激動的說到。
小哥哥聽完沉默了。
「看吧，我就說你改不了吧！還是算了吧，趁早給產品經理說這個需求做不了，咱倆都輕鬆自在」
「那不行，這個項目對我非常重要，我還指望通過你來升職加薪，走向人生巔峰呢！」，小哥哥說的很堅定。
「實在不行，那就多找幾台機器，把我copy幾份過去，軟體不行就靠硬體堆出性能嘛！」，我沖他眨了個眼睛。
「這還用你說，老闆肯定不會同意的」
「那我沒轍了，實話告訴你吧，想要我能處理萬兆網路流量，非得繞開作業系統，我親自去從網卡讀取數據包不可，你好好去研究下吧，想升職加薪，怎麼能怕難呢！」，我給小哥哥打了打氣。
小哥哥點了點頭，「你說的是，我一定可以的，給我一點時間」
DPDK
就這樣過了一個多星期，程式設計師小哥哥一直沒再來找過我，也不知道他研究的怎麼樣了。
又過了好幾天，他終於又來了。
「快出來！我找到辦法了，明天就開始改造你！」
我一聽來了興趣，「什麼辦法？你打算怎麼改造我？」
「這個新方案可以解決你之前提出的所有問題，可以讓你直接去跟網卡打交道，不用中斷來通知讀取數據包，也不用再把數據包交給系統協議棧和netfilter框架處理，不用再頻繁的在用戶態和內核態反覆切換了！」，小哥哥越說越激動！
「你也太牛了吧，能把這些問題都解決了！你是怎麼做到這些的，什麼原理？」，我好奇的問到。
小哥哥有些不好意思，「我哪有那本事啊，其實這是別人開發的技術，我只是拿來用而已。」
「額，那你都弄清楚它的原理了嗎，別到時候坑我啊！」，我有些不太放心。
「這個你放心，這個技術叫DPDK，是人家Intel開發的技術，靠譜！」
接下來，程式設計師小哥哥給我介紹了這個叫DPDK的技術原理。
有了DPDK，通過作業系統的用戶態模式驅動UIO，我可以在用戶態通過輪詢的方式讀取網卡的數據包，再也不用中斷了！
直接在用戶態讀取，再也不用把數據包在內核態空間和用戶態空間搬來搬去。讀到了之後我直接就可以分析，還不用走系統協議棧和netfilter瞎耽誤功夫，簡直完美！
「還不止這些呢！還支援大頁記憶體技術」，小哥哥得意的說到。
「大頁記憶體？這是什麼」
「默認情況下系統不是以4KB大小來管理記憶體頁面的嗎？這個單位太小了，對於咱們伺服器記憶體會有大量的記憶體頁面，為了管理這些頁面，就會有大量的頁表項。CPU裡面進行記憶體地址翻譯的快取TLB大小有限，頁表項太多就會頻繁失效，降低記憶體地址翻譯的速度！」
聽到這裡，我突然明白了：「我知道了，把這個單位調大，管理的記憶體頁面就少了，頁表項數量就少了，TLB就不容易失效，地址翻譯就能更快對不對？」
「沒錯，你猜猜看，調到多大？」，小哥哥故作神秘。
「翻一倍，8KB？」，見小哥哥搖搖頭，我又猜到：「難道是16KB？」
「太保守了，能支援2MB和1GB兩種大小呢！」
「這麼大，厲害了！」
空轉問題
第二天，程式設計師小哥哥開始了對我進行了徹底的重構。
升級後的我試著跑了一下，發現了一個問題：如果數據包不是很多或者沒有數據包的情況下，我的輪詢基本上就挺浪費時間的，一直空轉，由於我獨佔了一個核，這個核的佔用率就一直是100%，不少別的程式都吐槽我，占著**不**。
於是，程式設計師小哥哥又對我進行了升級，用上了Interrupt DPDK模式：沒有數據包處理時就進入睡眠，改為中斷通知。還可以和其他執行緒共享CPU核，不再獨佔，但是DPDK執行緒會有更高調度優先順序，一旦數據包多了起來，我又變成輪詢模式，可以靈活切換。
程式設計師哥哥連續加了兩個星期的班，經過一番優化升級，我的數據包分析處理能力有了極大的提升。
然而遺憾的是，測試了幾輪，當面臨10Gbps的流量時，我還是有點力不從心，還是差了那麼一點點。
小哥哥有些灰心喪氣，「我不知道該怎麼辦了，你覺得還有什麼哪些地方可以改進嗎？」
「我現在基本滿負荷工作了，應該沒有什麼地方可以改進了。現在唯一有時間喘口氣的地方就是數據競爭的時候了，遇到數據被加了鎖發生執行緒切換歇一歇」
小哥哥思考了幾秒鐘，突然眼睛一亮，高興的說到：「有了！」
還沒來得及問，就把我關閉，下班去了～
到底程式設計師小哥哥又要對我做什麼呢？
往期TOP5文章
