Open vSwitch(OVS)中的DPDK性能加速

在NFV基础设施（NFVI）中有一个重要的组成部分，叫虚拟交换机。

什么是虚拟交换机

虚拟交换机是运行在通用平台上的一个软件层，可以连接虚拟机的网络端口、提供一套纯软件的路由交换协议栈的一个机制，帮助平台上运行的虚拟机实例（虚拟机之间、虚拟机与外部网络之间）。

虚拟机的虚拟网卡对应虚拟交换机的一个虚拟端口，通用平台上的物理网卡作为虚拟交换机的上行链路端口。

虽然是虚拟交换机，但是他的工作原理和物理交换机类似。虚拟交换机的主要好处体现在扩展灵活。

OVS简介

OVS是一个开源的虚拟交换机，遵循apache2.0许可，其定位是要做一个产品级质量的多层虚拟交换机，通过支持可编程扩展来实现大规模的网络自动化。

设计目标是方便管理和配置虚拟机网络，能够主动检测多物理机在动态虚拟环境中的流量情况。

OVS具有很强的灵活性，可以在管理程序中作为软件交换机运行，也可以直接部署到硬件设备上作为控制层。

OVS孩子吃多种标准的管理接口。

OVS在实现中分为用户空间和内核空间两个部分。

用户空间拥有多个组件，他们主要负责实现数据交换和OpenFlow流表功能，还有一些工具用于虚拟交换机管理、数据库搭建以及内核组件的交互。

内核组件主要负责流表查找的快速通道。

OVS数据流转发的大致流程如下

1. OVS的datapah接收到从OVS连接的某个网络端口发来的数据包，从数据包中提取源/目的IP、源/目的MAC、端口等信息。

2. OVS在内核态查看流表结构（通过HASH），如果命中，则快速转发。

3. 如果没有命中，内核态不知道如何处置这个数据包。所以，通过netlink upcall机制从内核态通知用户态，发送给ovs-vswitchd组件处 理。

4. ovs-vswitchd查询用户态精确流表和模糊流表，如果还不命中，在SDN控制器接入的情况下，经过OpenFlow协议，通告给控制器，由控制器处理。

5. 如果模糊命中，ovs-vswitchd会同时刷新用户态精确流表和内核态精确流表；如果精确命中，则只更新内核态流表。

6. 刷新后，重新把该数据包注入给内核态datapath模块处理。

7. datapath重新发起选路，查询内核流表，匹配；报文转发，结束。

DPDK加速的OVS

虽然OVS作为虚拟交换机已经很好，但是它在NFV的场景下，在转发性能、时延、抖动上离商业应用还有一段距离。Intel利用DPDK的加 速思想，对OVS进行了性能加速。

OVS的数据通路

根据上小节OVS的大致流程分析，跟数据包转发性能相关的主要有两个组件：ovs-vswitchd（用户态慢速通路）和openvswitch.ko（内核态快速通路）。

ovs-vswitchd主要包含ofproto、dpif、netdev模块。

1. ofproto模块实现openflow的交换机；

2. dpif模块抽象一个单转发路径；

3. netdev模块抽象网络接口（无论物理的还是虚拟的）。

openvswitch.ko主要由数据通路模块组成，里面包含着流表。流表中的每个表项由一些匹配字段和要做的动作组成。

DPDK加速的数据通路

OVS在2.4版本中加入了DPDK的支持，作为一个编译选项，可以选用原始OVS还是DPDK加速的OVS。DPDK加速的OVS利用了DPDK的 PMD驱动，向量指令，大页、绑核等技术，来优化用户态的数据通路，直接绕过内核态的数据通路，加速物理网口和虚拟网口的报文处理速度。

DPDK加速的OVS数据流转发的大致流程如下

1. OVS的ovs-vswitchd接收到从OVS连接的某个网络端口发来的数据包，从数据包中提取源/目的IP、源/目的MAC、端口等信息。

2. OVS在用户态查看精确流表和模糊流表，如果命中，则直接转发。

3. 如果还不命中，在SDN控制器接入的情况下，经过OpenFlow协议，通告给控制器，由控制器处理。

4. 控制器下发新的流表，该数据包重新发起选路，匹配；报文转发，结束。

DPDK加速的OVS与原始OVS的区别在于，从OVS连接的某个网络端口接收到的报文不需要openvswitch.ko内核态的处理，报文通过DPDK PMD驱动直接到达用户态ovs-vswitchd里。

对DPDK加速的OVS优化工作还在持续进行中，重点在用户态的转发逻辑（dpif）和vhost/virtio上，比如采用DPDK实现的cuckoo哈希算法替换原有的哈希算法去做流表查找，vhost后端驱动采用mbuf bulk分配的优化，等等。

DPDK加速的OVS性能比较

Intel发布过原始OVS与DPDK加速的OVS的性能比较，主要比较两种场景：一个是物理网口到物理网口，另一个是物理网口到虚拟机再到物理网口。

在这两种场景和256字节数据包的大小下，DPDK加速的OVS比原始OVS的性能分别提高了11.4倍和7.1倍。

如果用两个处理器核做OVS的转发逻辑比用一个处理器核体高了1.81倍，其可扩展性还是不错的。