FDIR原理介绍及应用场景举例

FDIR简介

在CPU单核时代，数据包经由网卡接收后均被送往唯一的CPU进行处理。随着多核时代到来，出现了负载均衡问题（某些core过载，而另一些core空载的情况）。为解决该问题，RSS（Receive Side Scaling）技术先通过hash操作将数据包发送到不同的core上进行中断处理，然后再经由core间转发将数据包发送到运行目的应用所在的core上。虽然负载看似在多core上均衡了，但由于hash的抗碰撞特性，大量数据包会被送到了不匹配的core上，因而数据包的core间转发成为性能瓶颈。

Intel 以太网Flow Director技术（Intel Ethernet Flow Director，简称FDIR）将数据包定向发送到对应应用所在core上，从而弥补了RSS的不足，可用来加速数据包到目的应用处理的过程。在新一代Intel 以太网800系列网络适配器中，FDIR有了更多的规则空间硬件资源和更灵活的配置机制。

如同Linux提供了纯软件实现的RSS版本一样，Linux也提供了纯软件实现的ATR（Application Targeting Routing）模式的Flow Director，称为RFS（Receive Flow Steering）。尽管功能上等效，但是RFS无法达到FDIR对网络性能的提升效果，因为它必须通过某个core来执行调度数据包，而且该core大概率不是目的应用所在的core。因此，ATR模式的FDIR可被看作RFS的智能卸载硬件加速方案。

FDIR工作原理

在网络适配器硬件接收到数据包时，硬件Parser会通过Parse Graph状态机对数据包进行解析提取出一些重要信息（如数据包类型）并填充在该数据包的descriptor中；

硬件Profile Chooser根据数据包的PTYPE、Flag位、所属VSI等信息生成Profile ID；硬件Field Extractor根据该Profile ID提取出对应的Field Vector；根据mask寄存器中的信息，对Field Vector中有效字段（word）进行mask操作；根据Input Set寄存器中Field Vector到Input Set的映射关系，生成FDIR的Input Set。

基于数据包提取出的Input Set，FDIR会查表进行精确匹配和优先级判断，从而确定出对应的action。常见的action包括：1）Drop：根据FDIR表中对应规则的DROP Flag位决定是否drop该数据包。2）To Queue：将数据包发送至目的Queue，或在进行hash操作后发送至Queue Group（也叫Queue Region）中的某个Queue。3）Counter：对匹配的数据包进行统计计数，计数的方式有：基于个数、基于byte数据量、基于个数和byte数据量。

其中，FDIR匹配准则依据包括：1）Input Set向量域；2）数据包所属的VSI；3）数据包所匹配的Profile。

FDIR使能机制

Intel 以太网800系列网络适配器最多可支持16k条FDIR规则，这些规则空间资源在硬件中是以 “独占（ guaranteed ）” + “共享（ best effort ）” 的形式进行分配的。其中，每个PF享有固定大小的独占资源，该独占资源又可被各PF下的VF分配使用；除去所有PF享有的独占资源，其余的FDIR空间资源都作为共享资源，被所有PF及其VF所共享使用。例如，在4端口25G E810中，每个PF独占资源有512，共享资源有14k（16k-512*4=14k）。独占和共享资源的配置，是通过写寄存器实现的。

对FDIR Queue的初始化同样是通过写寄存器完成的，包括：分配FDIR VSI硬件资源；映射TC LAN Queue到VSI；初始化FDIR哈希表；初始化FDIR统计计数器；分配并初始化TX/RX LAN Queue；绑定中断到VSI Queue；分配并初始化Ring Buffer；分配FDIR Profile资源等。

在DPDK中，FDIR规则可以通过rte_flow的组织形式runtime进行配置。每条规则中包含了必要的 Pattern和Action信息。

紧接着基于rte_flow规则中解析出的Input Set，分配Profile ID；注册HW Profile；创建PTYPE Group的映射关系；在TCAM中添加对应的Field Vector。再之后driver根据解析出的Input Set的值分配Queue的Descriptor并对LAN+FDIR Descriptor进行填充，然后构建相应的FDIR Dummy Packet。

通过FDIR TX Queue将规则实体以特定的格式发送给网卡的firmware，并返回处理的状态结果。

其中，每个FDIR规则实体的内容是由64 bytes数据构成，由以下参数组成：1）从数据包中提取的参数：48 bytes的Input Set；数据包所匹配的Profile等。2）从软件Descriptor中接收到的参数：目的Queue；FDIR ID；数据包所属的VSI；统计计数器；控制相关的Flag位等。3）自维护的存储管理参数：PF/VF/VSI标志位；有效Flag位等。

FDIR应用场景举例

OVS Partial Offload：在HW中设置带有mark ID的FDIR规则，匹配的数据包会在对应的descriptor中记录对应的mark ID，上层的OVS可以基于此mark ID直接对该数据包的SKB进行相应的处理，从而省去了大量的解析查询等操作并大大提升了性能。

结语

当前VMware或Microsoft并不支持FDIR功能。FDIR更适合在纯“裸机（bare metal）” 上的Linux应用程序中提升网络性能，特别是那些网络通信量极大、处理小数据包极多的应用程序。在那些看重网络性能的应用程序（例如Memcached）中，FIDR为以太网领域在高带宽、低延迟等方向提供了显着的性能增强。伴随的好处也包括降低CPU占有率、节省功耗等，因而更适合配合intel的高性能CPU使用。

原文标题：基于Intel®以太网800系列网络适配器的FDIR功能及原理介绍

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责任编辑：haq