DPDK(Data Plane Development Kit)是数据平面开发工具包，由用于加速在各种CPU架构上运行的数据包处理的库组成。

在Linux上捕获数据包有多种方式，常见的有libpcap，pf-ring等。DPDK以高性能著称，想必相比传统的数据包捕获方式，一定有其独到之处。

本文主要就DPDK所使用的技术点进行宏观的说明，并将其与libpcap，pf-ring进行对比，若有写的不对的地方请帮忙指出。

参考文档:
[1]绝对干货！初学者也能看懂的DPDK解析
[2]Linux 设备驱动之 UIO 机制（基本概念）
[3]PF_RING学习笔记

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1.DPDK 技术特点

传统的数据包捕获瓶颈往往在于Linux Kernel，数据流需要经过Linux Kernel，就会带来Kernel Spcae和User Space数据拷贝的消耗；系统调用的消耗；中断处理的消耗等。

DPDK针对Linux Kernel传统的数据包捕获模式的问题，进行了一定程度的优化。DPDK的优化可以概括为:

• UIO+mmap 实现零拷贝（zero copy）
• UIO+PMD 减少中断和CPU上下文切换
• HugePages 减少TLB miss
• 其他代码优化

2.UIO

2.1 UIO简介

UIO（Userspace I/O）是运行在用户空间的I/O技术。Linux系统中一般的驱动设备都是运行在内核空间，而在用户空间用应用程序调用即可，而UIO则是将驱动的很少一部分运行在内核空间，而在用户空间实现驱动的绝大多数功能。

图片引自百度百科

一个设备驱动的主要任务有两个：

• 存取设备的内存
• 处理设备产生的中断

如上图所示，对于存取设备的内存 ，UIO 核心实现了mmap()；对于处理设备产生的中断，内核空间有一小部分代码用处理中断，用户空间通过read()接口/dev/uioX来读取中断。

2.2 DPDK UIO机制

采用Linux提供UIO机制，可以旁路Kernel，将所有报文处理的工作在用户空间完成。

图片引自参考文档[1]

如上图，左边是传统的数据包获取方式，路径为:
网卡 -> Kernel驱动 -> Kernel TCP/IP协议栈 -> Socket接口 -> 业务
右边是DPDK的方式，基于UIO。数据路径为:
网卡 -> DPDK轮询模式-> DPDK基础库 -> 业务

2.3 DPDK 零拷贝（Zero Copy）

通过UIO+mmap 实现数据零拷贝（zero copy）是DPDK的特点之一。那么常规的Linux Kernel（libpcap）以及pf-ring处理数据包的流程要进行几次数据拷贝呢？

1. libpcap
   libpcap采用的是传统的数据包获取方式，如上图左边路径。
   网卡接收到数据包后，第一步需要把数据从网卡拷贝到主存（RX buffer）中。但是在这个拷贝的过程中使用了DMA（Direct Memory Access）技术。DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。由CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成，CPU是不需要参与，也不会产生CPU资源消耗。因此这个第一步的拷贝可以忽略。
   第二步，Kernel会将网卡通过DMA传输进入主存（RX buffer）的内容拷贝一份进行处理，这里进行了一次数据拷贝。
   第三步，由于内核空间和用户空间的内存是不共享的，Kernel会将数据包内容再进行一次拷贝用于用户空间使用。
   综上，传统的数据包捕获方式（libpcap）会进行两次数据包拷贝。

2. pf-rfing
   pf-ring采用mmap()将传统的两次拷贝减少至一次拷贝。
   第一步，同样使用DMA技术，把数据从网卡拷贝到主存（RX buffer）中。
   第二步，pf-ring会将网卡通过DMA传输进入主存（RX buffer）的内容拷贝一份放入环形缓冲区中（ring）中，这里进行了一次数据拷贝。
   第三步，使用mmap()将环形缓冲区映射至用户空间，用户空间可以直接访问这个环形缓冲区中的数据。

3. pf-ring zc
   pf-ring zc（zero copy）更是将pf-ring的一次拷贝也省去，达到了零拷贝的目的，具体的：
   第一步，使用DMA技术，把数据从网卡拷贝到主存（RX buffer）中。
   第二步，使用mmap()直接将RX buffer的数据映射到用户用户空间，使用户空间可以直接访问RX buffer的数据。
   下图非常清晰地展示了pf-ring zc实现零拷贝的过程：
   

   图片引自参考文档[3]

4. DPDK
   DPDK实现零拷贝的方式与pf-ring zc类似，首先通过DMA将网卡数据拷贝至主存（RX buffer）；随后使用mmap()直接将RX buffer的数据映射到用户用户空间，使用户空间可以直接访问RX buffer的数据，以此实现了零拷贝。

由上述可以看出，pf-ring zc和dpdk均可以实现数据包的零拷贝，两者均旁路了内核，但是实现原理略有不同。pf-ring zc通过zc驱动（也在应用层）接管数据包，dpdk基于UIO实现。

除了UIO之外，dpdk还支持VFIO。关于VFIO的介绍可以参考下面链接：
https://kernelgo.org/vfio-introduction.html

值得注意的是，无论是pf-ring zc还是dpdk，旁路内核就意味着应用程序完全接管网卡，这样一来，当通过UIO驱动或ZC驱动打开设备时，设备将无法用于标准网络。

3.PMD

DPDK的UIO驱动屏蔽了硬件发出中断，然后在用户态采用主动轮询的方式，这种模式被称为PMD（Poll Mode Driver）。

正常情况下，网卡收到数据包后，会发出中断信号，CPU接收到中断信号后，会停止正在运行的程序，保护断点地址和处理机当前状态，转入相应的中断服务程序并执行中断服务程序，完成后，继续执行中断前的程序。

DPDK采用轮询的方式，直接访问RX和TX描述符而没有任何中断，以便在用户的应用程序中快速接收，处理和传送数据包。这样可以减少CPU频繁中断，切换上下文带来的消耗。

在网卡大流量时，DPDK这种PMD的方式会带来较大的性能提升；但是在流量小的时候，轮询会导致CPU空转（不断轮询），从而导致CPU性能浪费和功耗问题。

为此，DPDK还推出了Interrupt DPDK模式，它的原理和Linux的NAPI很像，就是没包可处理时进入睡眠，改为中断通知。并且可以和其他进程共享同个CPU Core，但是DPDK进程会有更高调度优先级。

与DPDK相比，pf-ring（no zc）使用的是NAPI polling和应用层polling，而pf-ring zc与DPDK类似，仅使用应用层polling。

图片引自官网

4.HugePages

Linux系统默认采用4KB作为页的大小（page size），页的大小越小，设备的内存越大，页面的个数就越多，页表的开销就越大，页表的内存占用也越大。

在操作系统引入MMU（Memory Management Unit）后，CPU读取内存的数据需要两次访问内存。第一次要查询页表将逻辑地址转换为物理地址，然后访问该物理地址读取数据或指令。

为了减少页数过多，页表过大而导致的查询时间过长的问题，便引入了TLB(Translation Lookaside Buffer)，可翻译为地址转换缓冲器。TLB是一个内存管理单元，一般存储在寄存器中，里面存储了当前最可能被访问到的一小部分页表项。

引入TLB后，CPU会首先去TLB中寻址，由于TLB存放在寄存器中，且其只包含一小部分页表项，因此查询速度非常快。若TLB中寻址成功（TLB hit），则无需再去RAM中查询页表；若TLB中寻址失败（TLB miss），则需要去RAM中查询页表，查询到后，会将该页更新至TLB中。

而DPDK采用HugePages ，在x86-64下支持2MB、1GB的页大小，大大降低了总页个数和页表的大小，从而大大降低TLB miss的几率，提升CPU寻址性能。

5. 其他代码优化

目前对DPDK的代码研究还不是很深入，这里摘录自参考文档1。

1. SNA（Shared-nothing Architecture）

软件架构去中心化，尽量避免全局共享，带来全局竞争，失去横向扩展的能力。NUMA体系下不跨Node远程使用内存。

2. SIMD（Single Instruction Multiple Data）

从最早的mmx/sse到最新的avx2，SIMD的能力一直在增强。DPDK采用批量同时处理多个包，再用向量编程，一个周期内对所有包进行处理。比如，memcpy就使用SIMD来提高速度。

SIMD在游戏后台比较常见，但是其他业务如果有类似批量处理的场景，要提高性能，也可看看能否满足。

3. 不使用慢速API

4. cpu affinity

5. 编译执行优化