Kernel-bypass techniques for high-speed network packet processing

Summary

Ce script explore les défis du traitement des paquets dans le noyau Linux, où les surcharges de commutation de contexte, d'allocation de mémoire et de verrouillage sont des obstacles majeurs pour les réseaux haute vitesse. Il met en lumière des solutions comme DPDK et Netmap pour contourner ces limitations, permettant un traitement des paquets en espace utilisateur. Des technologies avancées comme eBPF, XTP et le matériel programmable permettent de décharger le traitement directement sur les cartes réseau ou les commutateurs, offrant des performances accrues. Une approche hybride, combinant traitement logiciel et matériel, est recommandée pour une efficacité optimale.

Takeaways

• 😀 La gestion traditionnelle des paquets réseau par le noyau peut entraîner des surcharges de performance dues aux changements de contexte et à la gestion de la mémoire.
• 😀 Les techniques de bypass du noyau comme DPDK, Netmap et mTCP permettent de contourner ces limitations en traitant les paquets directement en espace utilisateur ou via du matériel avancé.
• 😀 DPDK fonctionne en mode de sondage, ce qui permet de contourner complètement le noyau et d'optimiser le traitement des paquets.
• 😀 Netmap permet un partage de mémoire entre l'espace utilisateur et le noyau, ce qui permet aux applications des deux espaces de traiter les paquets simultanément.
• 😀 mTCP est une pile TCP/IP en espace utilisateur qui optimise le traitement des paquets en utilisant plusieurs cœurs et files d'attente de NIC modernes.
• 😀 L'utilisation de pages mémoire énormes dans DPDK permet d'accélérer l'accès à la mémoire et de réduire la latence, ce qui est essentiel pour les applications à haut débit.
• 😀 Les commutateurs et NIC programmables permettent d'offloader des traitements directement à la périphérie du réseau, réduisant ainsi les besoins de traversée du réseau d'entreprise.
• 😀 BPF (Berkeley Packet Filter) et eBPF permettent de traiter certaines tâches directement dans le noyau, mais ces techniques sont limitées par la nature sans état ou partiellement état des traitements qu'elles peuvent effectuer.
• 😀 L'approche hybride combine les avantages du traitement en espace utilisateur (via DPDK ou mTCP) et du traitement effectué par le noyau ou le matériel pour des performances optimales.
• 😀 Il est important de savoir que toutes les tâches ne peuvent pas être déchargées efficacement à l'extérieur du noyau ou du matériel, ce qui nécessite un équilibre entre traitement en espace utilisateur et noyau.

Q & A

Qu'est-ce que le bypass du noyau et pourquoi est-il important dans le traitement des paquets réseau ?

Le bypass du noyau permet de contourner les processus du noyau pour un traitement plus rapide des paquets réseau en espace utilisateur. Cela élimine les commutations de contexte et les allocations de mémoire dans le noyau, améliorant ainsi les performances globales, en particulier dans les réseaux à haut débit.

Quelles sont les principales limitations des techniques de bypass du noyau ?

Les limitations incluent le fait que certaines opérations ne peuvent pas être déchargées du noyau. Par exemple, BPF ne peut effectuer que des traitements sans état, et l'eBPF permet des traitements limités avec état. De plus, les matériels programmables ont une mémoire limitée et des ensembles d'instructions restreints.

Pourquoi le traitement des paquets dans le noyau est moins efficace pour les débits élevés ?

Le traitement des paquets dans le noyau génère des surcharges, telles que les commutations de contexte fréquentes, la gestion de la mémoire et les interruptions, ce qui réduit l'efficacité, en particulier pour les vitesses de transmission élevées comme 40 à 100 Gbps.

Qu'est-ce que DPDK et comment améliore-t-il le traitement des paquets ?

Le DPDK (Data Plane Development Kit) permet le traitement des paquets directement en espace utilisateur, ce qui évite les surcharges du noyau. Il utilise une mémoire pré-allouée et fonctionne en mode de sondage pour traiter les paquets de manière plus efficace que les méthodes traditionnelles.

Qu'est-ce que mTCP et comment s'intègre-t-il dans un environnement à haute performance ?

mTCP est une pile TCP en espace utilisateur qui utilise le traitement multi-cœurs pour gérer les connexions réseau à haute vitesse. Cela permet d'améliorer la scalabilité des applications réseau en exploitant efficacement plusieurs cœurs de processeur.

Qu'est-ce que RSS (Receive Side Scaling) et comment aide-t-il à améliorer les performances des NICs ?

RSS est une technique qui permet de distribuer les paquets entrants sur plusieurs files d'attente sur un NIC, afin d'exploiter le traitement parallèle sur plusieurs cœurs du processeur. Cela améliore la gestion du trafic réseau et permet de mieux exploiter les capacités des NICs modernes.

Comment les commutateurs réseau programmables contribuent-ils à l'amélioration des performances réseau ?

Les commutateurs réseau programmables permettent de décharger une partie du traitement des paquets directement au niveau du matériel, ce qui réduit la latence et la charge sur les autres composants du réseau. Ils peuvent effectuer un traitement de paquets plus rapide et plus personnalisé au niveau de l'entrée du réseau.

Pourquoi est-il préférable d'adopter une approche hybride pour le traitement des paquets plutôt que de se fier uniquement au bypass du noyau ou à l'offloading matériel ?

Une approche hybride permet de tirer parti des avantages des différentes techniques. Certaines opérations sont mieux gérées par le noyau ou le matériel, tandis que d'autres doivent être effectuées en espace utilisateur. Cela permet de maximiser les performances tout en respectant les limitations des différentes techniques.

Quelles sont les différences clés entre BPF et eBPF ?

BPF (Berkeley Packet Filter) est utilisé pour un traitement sans état des paquets réseau, tandis que eBPF (extended BPF) permet un traitement plus complexe, y compris des traitements avec état. eBPF offre plus de flexibilité pour le traitement des paquets mais a encore des limitations en termes de mémoire et de capacités d'exécution.

Quelles sont les applications pratiques du bypass du noyau dans les réseaux à haut débit ?

Le bypass du noyau est utilisé dans des applications nécessitant un traitement rapide et un faible temps de latence, comme les serveurs de haute performance, les infrastructures de cloud computing, et les réseaux de données à haute vitesse, où chaque milliseconde de latence compte pour la performance globale.