如何在 AWS EC2 实例以及基于 AWS 的容器平台中使用 DPDK（一）

1 背景

数据平面开发工具包 Data Plane Development Kit(DPDK) 由一组库和用户空间驱动组成的，用来加速包处理和转发的速度并降低延时，它支持多种不同的处理器架构和操作系统。DPDK被设计运行在用户空间，这样，基于DPDK的应用程序可以直接与网卡交互收发数据包，对于某些网络性能密集型场景下的应用有着现实的意义。

具体来说，DPDK所带来的主要的优势在于：通过用户空间的驱动，旁路kernel和TCP协议栈，规避了过多的内存拷贝和系统调用；通过轮询的方式，避免传统包处理时的中断和上下文切换；通过hugepage降低TLB miss，同时利用多通道内存，避免了过多访存开销；最后，还可以设置亲和性和独占，避免了不同核心的线程切换。除此之外，DPDK还在管理上提供了更多的包处理的可控制性。

进一步，在容器环境下，无论是原生的Docker还是平台化的kubernetes，不同的网络插件也提供了对于DPDK的支持，使得在容器环境中也可以利用到DPDK所提供的优势和性能提升。

在AWS平台上，DPDK可以支持具有增强网络（Enhanced Networking）的实例，包括了基于intel的82599（ixgbevf）和基于AWS的Elastic Network Adapter（ena）。具体来说，基于Nitro的实例，例如C5，M5，I3和T3以及上一代基于intel的C4，M4和T2等具备增强网络的实例都可以支持DPDK。在使用DPDK时，需要选用16.04之后的版本，DPDK在该版本之后才提供了对AWS EC2的支持。

下图示意了non-DPDK和DPDK优化的应用之间的区别。

本文使用AWS EC2 C5.2xlarge实例，说明了如何在AWS EC2中安装和部署DPDK环境。

在后续的文章中，会进一步针对AWS上的容器平台如何和DPDK集成给出说明。

3 设置DPDK环境

使用amazon linux2 AMI启动一台c5.2xlarge实例，并通过ssh登录。

3.1 设置hugepages

CPU所能支持的hugepages大小可以通过查看CPU的flag确认，如果支持pse，则平台支持2MB的hugepages，如果支持pdpe1gb，则平台支持1GB的hugepages。

查看我们使用的操作系统环境c5.2xlarge。

# cat /proc/cpuinfo |grep -e pse -e pdpe1gb
flags: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp

可见，c5.2xlarge可以支持2MB的hugepages和1GB的hugepages。对于不同的hugepages，用不同的方式完成配置。一般来说，对于64-bit的应用，建议使用1GB hugepages。下面我们会分别来进行说明。针对2M hugepage，设置如下：在大多数较新的linux发行版，默认已经启用的2M hugepages，并已经通过dev-hugepages.mount服务进行挂载，比如本文所使用的amazon linux2。镜像为amzn2-ami-hvm-2.0.20191116.0-x86_64-gp2 (ami-07539a31f72d244e7)，kernel版本4.14.154-128.181.amzn2.x86_64。更新系统。

# yum update -y

查看当前系统对于hugepages分配和支持。

# cat /proc/meminfo |grep Huge
AnonHugePages:         0 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:    0
HugePages_Free:     0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB

# cat /proc/mounts |grep -i hugepage
hugetlbfs /dev/hugepages hugetlbfs rw,relatime,pagesize=2M 0 0

针对2M hugepages，可以通过不同的方式来进行配置。

设置内核参数的方式。针对grub2引导的发行版，配置如下：

# echo GRUB_CMDLINE_LINUX="hugepages=2048">>/etc/default/grub
# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

重启后可以确认已经生效。

# cat /proc/cmdline | grep hugepages
BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-4.14.152-127.182.amzn2.x86_64 root=UUID=e8f49d85-e739-436f-82ed-d474016253fe ro hugepages=2048 console=tty0 console=ttyS0,115200n8 net.ifnames=0 biosdevname=0 nvme_core.io_timeout=4294967295 rd.emergency=poweroff rd.shell=0

# cat /proc/meminfo | grep -i hugepage
AnonHugePages:         0 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:    2048
HugePages_Free:     2048
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB

临时修改修改内核参数的方式。

# echo 1024 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
# cat /proc/meminfo |grep Huge
AnonHugePages:         0 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:    1024
HugePages_Free:     1024
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB

对于多节点的NUMA实例，需要显式的设定不同的NUMA节点。

# echo 1024 > /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
# echo 1024 > /sys/devices/system/node/node1/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

当然，上述方式重启丢失需要重新设置，可以通过sysctl.conf配置来配置持久生效。

# echo "vm.nr_hugepages=512" >> /etc/sysctl.conf
# sysctl -p
# cat /proc/meminfo |grep Huge
AnonHugePages:         0 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:     512
HugePages_Free:      512
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:    2048 kB

针对1G hugepages，只能通过配置内核启动参数的方式进行设置。后续的操作会使用1G hugepage来进行。

首先修改/etc/default/grub，增加GRUB_CMDLINE_LINUX=”default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G hugepages=4”

# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

重新启动实例。可以查看设置已经生效。

# cat /proc/cmdline 
BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-4.14.152-127.182.amzn2.x86_64 root=UUID=e8f49d85-e739-436f-82ed-d474016253fe ro default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G hugepages=4 console=tty0 console=ttyS0,115200n8 net.ifnames=0 biosdevname=0 nvme_core.io_timeout=4294967295 rd.emergency=poweroff rd.shell=0

# cat /proc/meminfo |grep -i hugepage
AnonHugePages:         0 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:       4
HugePages_Free:        4
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:    1048576 kB

3.2 安装和配置DPDK

配置编译和使用所需的系统环境。

# yum groupinstall "development tools" -y
# yum install python3 numactl numactl-devel -y

DPDK可以使用meson和ninjia来进行配置，构建和安装，如果使用这种方式请首先安装meson和ninjia。

# pip3 install meson ninja

下面的说明中，我们使用makefile而并没有使用meson和ninjia进行安装。下载DPDK包。

# wget http://fast.dpdk.org/rel/dpdk-19.11.tar.xz
# tar Jxvf dpdk-19.11.tar.xz
# cd dpdk-19.11/

配置和安装。

# export RTE_SDK=/root/dpdk-19.11
# export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
# make config install T=$RTE_TARGET DESTDIR=$RTE_SDK

另外，DPDK提供了安装配置脚本dpdk-19.11/usertools/dpdk-setup.sh，我们也可以使用该脚本进行安装并可以进行后续的配置操作。

基于脚本配置方式如下。

# ./usertools/dpdk-setup.sh 
------------------------------------------------------------------------------
 RTE_SDK exported as /root/dpdk-19.11.script
------------------------------------------------------------------------------
----------------------------------------------------------
 Step 1: Select the DPDK environment to build
----------------------------------------------------------
[1] arm64-armada-linuxapp-gcc
…………
…………
[37] x86_64-native-linuxapp-clang
[38] x86_64-native-linuxapp-gcc
[39] x86_64-native-linuxapp-icc
[40] x86_64-native-linux-clang
[41] x86_64-native-linux-gcc
[42] x86_64-native-linux-icc
[43] x86_x32-native-linuxapp-gcc
[44] x86_x32-native-linux-gcc

----------------------------------------------------------
 Step 2: Setup linux environment
----------------------------------------------------------
[45] Insert IGB UIO module
[46] Insert VFIO module
[47] Insert KNI module
[48] Setup hugepage mappings for non-NUMA systems
[49] Setup hugepage mappings for NUMA systems
[50] Display current Ethernet/Baseband/Crypto device settings
[51] Bind Ethernet/Baseband/Crypto device to IGB UIO module
[52] Bind Ethernet/Baseband/Crypto device to VFIO module
[53] Setup VFIO permissions

----------------------------------------------------------
 Step 3: Run test application for linux environment
----------------------------------------------------------
[54] Run test application ($RTE_TARGET/app/test)
[55] Run testpmd application in interactive mode ($RTE_TARGET/app/testpmd)

----------------------------------------------------------
 Step 4: Other tools
----------------------------------------------------------
[56] List hugepage info from /proc/meminfo

----------------------------------------------------------
 Step 5: Uninstall and system cleanup
----------------------------------------------------------
[57] Unbind devices from IGB UIO or VFIO driver
[58] Remove IGB UIO module
[59] Remove VFIO module
[60] Remove KNI module
[61] Remove hugepage mappings

[62] Exit Script

安装完毕之后,创建的目标目录内会包括了所有的lib库，poll-mode驱动和header文件，用以后续构建基于DPDK的应用。此外，该目录还包括一些内置编译完成可用的DPDK应用，可以用于测试。

接下来，我们需要加载相应的驱动来替代默认的ena驱动，以支持DPDK。ENA网卡可以支持UIO模式或者VFIO模式的DPDK驱动，linux的内核已经包含了标准的uio_pic_generic驱动，而刚刚我们编译也获得了DPDK提供的igb_uio驱动，uio_pic_generic对于Virtual functions的支持会有限制，通常在UIO模式下，我们会使用igb_uio。

# modprobe uio
# insmod /root/dpdk-19.11/x86_64-native-linuxapp-gcc/kmod/igb_uio.ko wc_activate=1

相对来说，VFIO会是一个更加安全和健壮的选择，但是VFIO需要依赖于IOMMU，并且也不支持创建Virtual functions，同时还需要设置所需的权限来运行非特权用户的DPDK应用。当在不支持IOMMU的环境中，比如我们使用的EC2 C5.2xlarge环境，想要使用VIFO时，也会工作在类似UIO的非安全环境。另外，你可能需要使用AWS的patch https://github.com/amzn/amzn-drivers/tree/master/userspace/dpdk来重编译vfio-pci，以避免可能的性能问题或支持某些特性比如write combining。如下为直接加载vfio-pci模块并配置权限。

# modprobe vfio-pci
# chmod a+x /dev/vfio
# chmod 0666 /dev/vfio/*

对于大部分实例来说，并不支持IOMMU，需要确保驱动的noiommu参数被设置。

# echo 1 > /sys/module/vfio/parameters/enable_unsafe_noiommu_mode

对于其他一些实例来说，比如 i3.metal，可以支持IOMMU，需要在内核参数指定。通过类似的方法，修改grub2启动设定。在GRUB_CMDLINE_LINUX中追加iommu=1 intel_iommu=on。然后重新生成引导参数文件。

# grub2-mkconfig > /boot/grub2/grub.cfg

重启即可生效。

3.3 挂载hugepagefs

之前的操作已经完成了hugepages内存的预留，要使得DPDK能够使用这些内存，还需要如下步骤的配置和操作。

对于2M hugepage来说。

# mkdir /mnt/huge
# mount -t hugetlbfs nodev /mnt/huge

或者通过修改/etc/fatab来持久化设置挂载点。

# echo “nodev /mnt/huge hugetlbfs defaults 0 0” >> /etc/fstab

对于1G hugepage，必须要指定pagesize作为挂载参数，本文的操作采用此方式。

# mkdir /mnt/huge_1gb
# echo “nodev /mnt/huge_1gb hugetlbfs pagesize=1GB 0 0” >> /etc/fstab

3.4 绑定ENA设备到UIO或者VFIO模块

这里以UIO模块为例。

首先，我们在测试的实例上增加一个新的ENI网口来配置DPDK。只需在控制台新增网络接口，并附加到正在使用的实例上。如下所示。

之后，我们可以在实例内查看到这块新加入的设备。

#  ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 0a:ff:5f:49:42:c6 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.31.9.193/20 brd 172.31.15.255 scope global dynamic eth0
       valid_lft 2820sec preferred_lft 2820sec
    inet6 fe80::8ff:5fff:fe49:42c6/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 0a:a1:03:74:08:90 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.31.3.226/20 brd 172.31.15.255 scope global dynamic eth1
       valid_lft 3095sec preferred_lft 3095sec
    inet6 fe80::8a1:3ff:fe74:890/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

我们将eth1绑定到igb_uio模块，DPDK提供的dpdk-devbind.py脚本可以用来进行绑定，解绑或者状态查看等操作（或者使用dpdk-setup.sh脚本来进行配置）。当前两个ENA设备均使用的ena驱动。

# /root/dpdk-19.11/usertools/dpdk-devbind.py --status

Network devices using kernel driver
===================================
0000:00:05.0 'Elastic Network Adapter (ENA) ec20' if=eth0 drv=ena unused=igb_uio *Active*
0000:00:06.0 'Elastic Network Adapter (ENA) ec20' if=eth1 drv=ena unused=igb_uio *Active*

接下来，将设备 eth1，0000:06:00.0绑定到 igb_uio 驱动。

首先关闭eth1端口

# ifconfig eth1 down

绑定到igb_uio驱动。

/root/dpdk-19.11/usertools/dpdk-devbind.py --bind=igb_uio 06:00.0

也可以使用设备名：

/root/dpdk-19.11/usertools/dpdk-devbind.py --bind=igb_uio eth1

确认是否正常绑定。

# /root/dpdk-19.11/usertools/dpdk-devbind.py  --status

Network devices using DPDK-compatible driver
============================================
0000:00:06.0 'Elastic Network Adapter (ENA) ec20' drv=igb_uio unused=ena

Network devices using kernel driver
===================================
0000:00:05.0 'Elastic Network Adapter (ENA) ec20' if=eth0 drv=ena unused=igb_uio *Active*

如果需要恢复eth1使用原有的内核ena驱动，类似的简单进行如下操作。

/root/dpdk-19.11/usertools/dpdk-devbind.py --bind=ena 06.00.0

4 测试DPDK环境

请注意前面设置的RTE_SDK和RTE_RARGET环境变量是否正确。编译一个内嵌的helloworld应用来进行测试。

# cd /root/dpdk-19.11examples/helloworld
# make

# ./build/helloworld 
EAL: Detected 8 lcore(s)
EAL: Detected 1 NUMA nodes
EAL: Multi-process socket /var/run/dpdk/rte/mp_socket
EAL: Selected IOVA mode 'PA'
EAL: Probing VFIO support...
EAL: PCI device 0000:00:05.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 1d0f:ec20 net_ena
EAL: PCI device 0000:00:06.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 1d0f:ec20 net_ena

Message from syslogd@ip-172-31-9-193 at Dec 18 07:30:15 ...
kernel:do_IRQ: 6.229 No irq handler for vector
EAL: PCI device 0000:00:07.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 1d0f:ec20 net_ena
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