基于DPDK的高性能网络方案 - 指南
1、背景介绍
由于之前的应用收发数是基于PCIe方式的单机方案，存在扩展性的限制，现打算将其通过多块计算板卡基于网络进行方案改造，以达到带宽与性能线性拓展的能力。本文将基于DPDK与lwip协议栈详细阐述其中解决网络性能的方式，以基本满足应用业务目标。
2、架构分析与设计
2.1 业务特征描述
数据源端以RocketIO方式通过最多8根光纤进行接入，其中每根光纤带宽为6.4Gbps，这些数据过来后并不是立刻通过FPGA进行转发，而是会先进入FPGA侧的DDR中，由FPGA侧进行数据包的预处理（生成新数据包），然后发送到鲲鹏CPU端进行计算处理，处理完毕后再将结果通过DDS网络（非DPDK网络）进行发出。
鲲鹏CPU端网卡是100Gbps,而FPGA侧通常具备一路或两路发数端口，倘若是一路(简称40G网络应用)，其流量范围是38.4Gbps（6根光纤）到40Gbps，假设是两路(简称80G网络应用)，则达到51.2Gbps（8根光纤）到80Gbps，这其中峰值流量是瞬间产生的（由DDR累积产生），不会一直触发这么多，所以可认为平均流量是38.4Gbps或51.2Gbps。
2.2 数据模型
由RocketIO过来的数据，经FPGA侧，会进行数据格式的转换，如下图所示：
图1 数据格式转换图
首先，RocketIO过来的数据是按光纤拆分，每个数据包都包含一个控制字和多块资料，之后通过FPGA侧将这些光纤的数据进行合并，生成一个UDP报文进行发送，最后由鲲鹏CPU接收到的这些UDP报文将被组合成应用所需的大报文，其包含一个报文头和多份脉冲报文（也称之为帧）。
应用计算处理的基本单位是这个大报文，该大报文被处理的最大延迟要求是500ms，这个时间段包含大报文进到网卡、进行计算处理及产生结果凭借网卡发出。而整个系统（并非仅指该系统，而是指从雷达到鲲鹏CPU侧这一路上的所有系统）链路上的最大延迟是600ms。
2.3 关键技术
2.3.1 DPDK
一个开源的高性能数据包处理框架，它通过绕过Linux内核协议栈，直接在用户空间处理网络数据包，广泛被应用于得高速网络处理的领域。DPDK提供多种用户态驱动，结合轮询模式，将数据包从网卡直接DMA到用户态内存中，实现了零拷贝，大幅减少了内存操作。就是DPDK
不过，DPDK本身并不具备协议栈的处理能力，只负责祼数据包的高速收发处理，同时结合大页内存，提升内存访问效率，并且DPDK库本身提供了各线程调度方式。
2.3.2 LWIP
Lwip是一个专为资源受限的嵌入式体系设计的开源TCP/IP协议栈，提供了兼容传统Socket API的接口，具备可移植性。在内存管理方面，提供了专门的数据结构可用于消除冗余的数据拷贝，同时采用动态内存池和静态内存堆的管理模式，以平衡内存利用率和碎片难题。
Lwip通常以独立的内核线程运行，当网卡接收到材料后，底层驱动会将数据包封装成消息，投递到一个名为tcpip_mbox的邮箱中，当线程被唤醒后，会从邮箱中取出消息并进行解析，此种设计使得用户程序与内核协议栈通过进程间通信机制进行交互，彼此独立。
2.4 架构设计
通过结合DPDK与lwip两项关键技术点就形成了如下的架构：
图2 轮询架构设计
每个DPDK线程通过轮询网卡各自的队列，获得网络数据包，之后交给lwip进行TCP/IP协议栈（这里只用到UDP协议）的处理，剥离得到数据包中有用的报文。
不过，由于该应用体系数据模型的特殊性，带来了以下几方面的挑战：
- 如何快速接收数据包，并生成应用大报文
为了保证应用数据包不能在FPGA侧的DDR发生溢出，需在CPU侧网卡端将其所有UDP数据包都能够收齐,同时还要将其组合成大报文，其间要是处理不够好，就会反向影响收包效率。- 各个脉冲的顺序性如何进行并行分割
由于脉冲是一个接着一个被处理的，因此貌似天然的是串行化的流程，但考虑到应用计算处理单元是大报文，于是可基于该方面进行并行化处理。但这种分割如何与调度进行结合起来处理，仍是一大挑战。
基于这些挑战，提出了需从FPGA发数模型、线程模型和多核亲和性这三个方面予以解决。整个调度流程如下图所示：
图3 调度流程图
2.4.1 FPGA发数模型
为了配合网络软件层的处理模型，在FPGA侧发数阶段，需要按光纤进行发数，如下图所示：
图4 FPGA发数模型
在40G网络，由于只有一路端口，发数时就会将整个光纤（1-4）一起发出，而在80G网络，存在两路端口，因此按光纤进行了分区发送，其中每路只发送4个光纤的数据，且每路的报文头是相同的。另外，FPGA侧每次在发送这些大报文时，其中最大报文大小为64M。
2.4.2 线程模型
为了充分发挥网卡带宽，需结合网卡RSS的特性进行多队列收数，如图3所示，物理网卡硬件都带有多个队列，队列个数取决于网卡本身。其中每个队列由独立的一个线程负责接收数据包、组合大包等操控，由于各个线程运行的独立性，从而形成线性扩展能力，以应对不同网络带宽的应用。
另一方面，各个队列收到的数据包可以并行地发生数据拷贝运行，将其拷贝到由应用分配的缓冲区中，这样就提高了应用计算模块所需数据准备的效率。
2.4.3 多核亲核性处理
为了提高应用计算的并行度及保证线程处理的独立性，需要对网络流量进行分割，如图3所示，将ARP/IGMP流量定位到队列0中，将业务流量按大报文进行负载均衡，分别投递到队列1到队列N（N由网卡硬件决定）中。这样就充分利用了CPU及网卡队列的并发能力。