减少包头处理开销最直接的方法：减少数据包数量

背景

目前，有大量的网络应用在处理数据包的时候只需要处理数据包头，而不会操作数据负载部分，例如防火墙、TCP/IP协议栈和软件交换机。对这类网络应用而言， 包头处理产生的开销（称为“per-packet overhead”）占了整体开销的大部分。因此，如何减少包头处理开销是优化这类应用性能的关键。

减少包头处理开销最直接的方法：减少数据包数量

如何减少包数量？

增大Maximum Transmission Unit (MTU)。在数据量一定的情况下，使用大MTU的数据包可携带更多数据，从而减少了包的总量。但MTU值依赖于物理链路，我们无法保证数据包经过的所有链路均使用大MTU。

利用网卡特性：Large Receive Offload (LRO)，UDP Fragmentation Offload (UFO)和TCP Segmentation Offload (TSO)。如图1所示，LRO将从物理链路收到的TCP包（如1500B）合并为长度更长的TCP包（如64KB）；UFO和TSO将上层应用发送的长数据负载的UDP和TCP包（如64KB）拆分成长度更短的数据包（如1500B），以满足物理链路的MTU限制。通过在网卡上进行包合并和拆分，在不需要任何CPU开销的情况下，上层应用就可以处理数量大大减少的大包。然而，LRO、TSO和UFO通常只能处理TCP和UDP包，而且并非所有的网卡都支持这些特性。

软件包合并 (Generic Receive Offload，GRO)和包拆分 (Generic Segmentation Offload，GSO)。与前两种方法相比，GRO和GSO有两个优点：第一，不依赖于物理链路和网卡；第二，能够支持更多的协议类型，如VxLAN和GRE。

图1. LRO、UFO和TSO工作原理

为了帮助基于DPDK的应用程序（如Open vSwitch）减少包头处理开销，DPDK分别于17.08和17.11支持了GRO和GSO。如图2所示， GRO和GSO是DPDK中的两个用户库，应用程序直接调用它们进行包合并和分片。

图2. DPDK GRO和DPDK GSO

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GRO库和GSO库结构

图3描绘了GRO库和GSO库的结构。根据数据包类型，GRO库定义了不同的GRO类型。每一种GRO类型负责合并一种类型的数据包，如TCP/IPv4 GRO处理TCP/IPv4数据包。同样的，GSO库也定义了不同的GSO类型。GRO库和GSO库分别根据MBUF的packet_type域和ol_flags域将输入的数据包交给对应的GRO和GSO类型处理。

图3. GRO库和GSO库的框架

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如何使用GRO库和GSO库？

使用GRO和GSO库十分简单。如图4所示，只需要调用一个函数便可以对包进行合并和分片。

图4. 代码示例

为了支持不同的用户场景，GRO库提供了两组API：轻量模式API和重量模式API，如图5所示。轻量模式API应用于需要快速合并少量数据包的场景，而重量模式API则用于需要细粒度地控制合包并需要合并大量数据包的场景。

图5. 轻量模式API和重量模式API

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DPDK GRO的合包算法

算法挑战

在高速的网络环境下，高开销的合包算法很可能会导致网卡丢包。

包乱序（“Packet Reordering”）增加了合包难度。例如Linux GRO无法合并乱序的数据包。

这就要求DPDK GRO的合包算法：

足够轻量以适应高速的网络环境

能够合并乱序包

基于Key的合包算法

为解决上述两点挑战，DPDK GRO采用基于Key的合包算法，其流程如图6所示。对新到的数据包，首先按照流（“flow”）对其进行分类，再在其所在的流中寻找相邻的数据包（“neighbor”）进行合并。若无法找到匹配的流，就插入一条新流并将数据包存储到新流中。若无法找到邻居，则将数据包存储到对应的流中。

基于Key的合包算法有两个特点。首先，通过流分类来加速数据包的合并是十分轻量的一种做法；其次，保存无法合并的数据包（如乱序包）使得之后对其进行合并成为可能，故减轻了包乱序对合包带来的影响。

图6. 基于Key的合包算法流程

例如，TCP/IPv4 GRO使用源和目的Ethernet地址、IP地址、TCP端口号以及TCP Acknowledge Number定义流，使用TCP Sequence Number和IP ID决定TCP/IPv4包是否为邻居。若两个TCP/IPv4的数据包能够合并，则它们必须属于同一个流，并且TCP序号和IP ID必须连续。

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DPDK GSO的分片策略

分片流程

如图7所示，将一个数据包分片有3个步骤。首先，将包的数据负载分成许多长度更小的部分；其次，为每一个数据负载部分添加包头（新形成的数据包称为GSO Segment）；最后，为每个GSO segment更新包头（如TCP Sequence Number）。

图7. GSO分片流程

GSO Segment的结构

生成一个GSO Segment的最简单方法就是拷贝包头和数据负载部分。但频繁的数据拷贝会降低GSO性能，因此，DPDK GSO采用了一种基于零拷贝的数据结构——Two-part MBUF——来组织GSO Segment。如图8所示，一个Two-part MBUF由一个Direct MBUF和多个Indirect MBUF组成。Direct MBUF用来存储包头，Indirect MBUF则类似于指针，指向数据负载部分。利用Two-part MBUF，生成一个GSO Segment仅需拷贝长度较短的包头，而不需要拷贝较长的数据负载部分。

图8. Two-part MBUF的结构

GRO库和GSO库的状态

目前，GRO库还处于一个初期阶段，仅对使用最广泛的TCP/IPv4数据包提供了合包支持。GSO库则支持更丰富的包类型，包括TCP/IPv4、VxLAN和GRE。