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张帅，Wechat：yorkszhang
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DPDK和SR-IOV目前主要用于提升IDC（数据中心）中的网络数据包处理速度。然而，在NFV（网络功能虚拟化）场景下，DPDK与SR-IOV各自的应用场景和优缺点是什么呢？本文将从以下几个方面来探讨这个问题：
1、什么是DPDK？
2、什么是SR-IOV？
3、DPDK与SR-IOV有何不同？
4、DPDK与SR-IOV各自适合的应用场景是怎样的？
1、什么是DPDK？
DPDK（Data Plane Development Kit）是由6Wind和Intel开发的高性能数据平面开发工具包。为了更好地理解DPDK，我们先来看看Linux内核是如何处理网络数据包的。
图1 左：Linux kernel 右：DPDK
在默认情况下，Linux使用内核来处理网络数据包。随着IDC（数据中心）中NIC速率从40G逐步提升到目前主流的100G，未来将进一步升级到400G，Linux内核已不再适合处理高速网络。
内核的缺点：
1、中断处理：当大量网络数据包到达时，会频繁触发中断请求，导致高性能开销和上下文切换延迟。
2、内存拷贝：网络数据包到达时，网卡通过DMA等方式拷贝到内核缓冲区，内核协议栈再从内核空间拷贝到用户态空间，这个过程在Linux内核协议栈中占用了数据包处理流程的57.1%。
3、局部性失效：当前主流处理器包含多个CPU核心，这意味着一个数据包的处理可能跨多个CPU核心。例如，一个数据包可能在cpu0中断，内核态处理在cpu1，用户态处理在cpu2，这种跨核心处理容易导致CPU缓存失效，引发局部性失效。
DPDK的优点：
从前面的分析可以看出，目前网络IO实现方式中，内核是性能瓶颈的根源。为了解决性能问题，需要绕过内核，直接在用户态收发数据包。
1、内核绕过：通过UIO（Userspace I/O）旁路数据包，实现用户态数据包收发，减少上下文切换和内存拷贝。
2、使用多核编程代替多线程编程：设置CPU的亲和性，将线程和CPU核进行一对一绑定，减少彼此之间的调度切换。
3、使用大页内存代替普通内存：减少cache-miss。
4、采用无锁技术：解决资源竞争问题。
2、带有OVS的DPDK
什么是OVS？
OVS（Open vSwitch）是一款高质量的开源虚拟交换机，运行在hypervisor中，为虚拟机提供虚拟网络。
图2 NVF中OVS所处位置
OVS是实施VNF（Virtual Network Function）的一部分，位于hypervisor中，如图2所示，流量可以从一个VNF通过OVS传递到另一个VNF中。
OVS的转发平面是内核的一部分，无论OVS有多好，它都面临着与前面讨论的Linux网络协议栈相同的问题。
OVS+DPDK
图3 左：Kernel+OVS 右：DPDK+OVS
如图3所示：基于DPDK的转发路径替换标准的OVS内核转发路径，在主机上创建一个用户空间vSwitch，它完全运行在用户空间中，从而提高了OVS交换机的性能。
3、SR-IOV
在讲述SR-IOV之前，我们先讲述一下PCI直通技术。
什么是PCI直通？
PCI直通：不使用hypervisor也可以向虚拟机提供完整的网卡。虚拟机认为自己与网卡直接相连。如图4所示，有两个NIC卡和两个VNF，每个都独占访问其中一个NIC卡。
图4 网卡直通
PCI直通的缺点：由于下面的两个网卡被VNF1和VNF3独占，并且没有第三个专用网卡分配给VNF2使用。
什么是SR-IOV？
SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）规范：定义了一种用于虚拟化PCIe设备的机制。这种机制可以将单个PCIe以太网控制器虚拟化为多个PCIe设备。
图5 SR-IOV
通过创建PCIe设备的VF，每个VF可以分配给单个VM/VNF，从而消除由于网卡不够的问题。
4、DPDK vs SR-IOV
数据中心中存在东西向流量与南北向流量。
图6
在同一服务器内的东西向流量中，DPDK的性能优于SR-IOV。这很容易理解：如果流量是在服务器内部路由/交换的，而不是到NIC，SR-IOV没有任何优势。相反，SR-IOV会成为一个瓶颈（流量路径会变长，网卡资源会被占用）。
图7
图7为Intel官方给出东西向流量场景下DPDK与SR-IOV的性能测试数据。
在南北向流量（也包括从一个服务器到另一个服务器的东西向流量）场景中，SR-IOV的性能优于DPDK。
图8
图9
图9为Intel官方给出南北向流量场景下DPDK与SR-IOV的性能测试数据。
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