【DPDK学习路径】二、DPDK简介

        DPDK(Data Plane Development Kit)是一个框架，用于快速报文处理。

        在linux内核提供的报文处理模型中，接收报文的处理路径为：首先由网卡硬件接收，产生硬中断，触发网卡驱动程序注册的中断函数处理，之后产生软中断，触发协议栈注册的中断处理函数，之后则交给协议栈处理，如果报文最终目的是本机应用层，则需要从内核拷贝至用户程序；发送报文的处理路径为：应用层封装后逐层调用协议栈的报文封装函数，并添加到网卡的发送队列中，最终由网卡发送出去。

        linux内核协议栈处理可以参考 Linux网络详解：链路层-CSDN博客  及  https://blog.csdn.net/weixin_58966834/article/details/137572176

        在这一内核模型中，最常遇到的瓶颈是中断，中断的开销使得报文处理所需的时钟周期大幅提升，这意味着，流量大的情况下cpu将很快被占满。除此之外，I/O效率、内存访问效率，也是性能限制因素。此外，在报文输入/输出的情况下，报文需要从内核拷贝到用户态，或者是由用户态拷贝到内核，也是性能瓶颈之一。

        为了解决上述问题，涌现了许多的解决方案。比如硬件转发，硬件转发的本质就是在网卡上实现报文的转发功能，cpu不用于转发计算，因此cpu就不会成为转发性能瓶颈，并且硬件的处理效率远高于软件，它的缺点也很明显，硬件不容易编程。基于软件的解决方案也有不少，比较著名的如tc、xdp、dpdk，tc、xdp主要用于流量控制，它们类似于netfilter框架中的钩子，可以在比较靠前的位置处理报文，在面对DDoS攻击的情况下，二者可以通过丢包的方式避免报文进入内核，因此提高了DDoS防御能力，此外XDP可以通过选择性地让报文跳过部分内核处理，因此提高报文的处理效率。总的来说，二者的做法都是跳过内核协议栈的处理，因此提高报文处理效率，但是可以执行的操作都比较受限，并且无法改变网卡的I/0方式（中断/轮询）。XDP提供的功能更多一些，但要编写一个符合内核规范的XDP程序可不太容易，开发的进度比较容易受限。

        DPDK所作的事情更多一些，它可以使用轮询取代中断，这样的好处是在高数据量的时候报文处理更加高效，坏处是CPU每时每刻都被占用 100% ，除报文处理外的其他工作可能会受影响。不过，现代计算机大多都是多核结构，即使路由器、交换机等嵌入式设备也是如此，因此，某一个核一直被使用也不是多么不能接受的事情了。此外，DPDK实际可以在应用程序中随时启用/禁用网卡的中断，因此可以在流量较小时使用中断的方式处理报文。

        此外，通过用户态驱动程序，DPDK可以直接将网卡的I/O地址映射到用户态，使得用户态程序可以直接读取网卡中的数据包而无需经过内核-用户态拷贝过程。

        并且，在内存方面，DPDK可以通过分配大页内存，减少快表MISS的可能性，并支持NUMA架构下内存的读取优化。在CPU方面，DPDK可以将报文处理限制在特定核心，以减少线程调度的消耗。最后，DPDK对缓存也进行了优化。

        DPDK所作的一切事情，都是通过库的方式提供的，可以说，DPDK本质上就是一堆库。比较重要的库有：rte_eal、libc、rte_debug、rte_malloc、rte_timer、rte_mempool、rte_ring、rte_mbuf等。它们的功能及引用关系如下图：（此图为DPDK官方文档copy过来）

        其中，rte_eal是对硬件的抽象，包括网卡、cpu、内存等，rte_mbuf、rte_mempool、rte_ring是首先接收/发送队列所必须的库，所提供的无锁环形队列也是报文处理性能提升点之一。其他的库则如名字所示，提供一些基础功能。

        使用DPDK构建自己的数据平面，必须依赖于DPDK提供的这些库，当然，对于不同的DPDK程序，所需要的库也是不同的。

        简单学习DPDK，无非就是了解这些库的用法，并用它们构建一个DPDK程序以满足需求。更深入地学习，则要深入了解这些库的具体实现，理解性能优化点，提高纠错排错能能力。

        我们将由浅入深，慢慢学习。