Labs 導讀

眾所周知，在數據通信領域，傳統廠商如華為、中興、思科等均是用自己的網絡轉發平臺配合硬件板卡轉發，也就是我們俗稱的硬轉發。近些年，隨著SDN/NFV等新型網絡技術興起，使用x86平臺CPU轉發的需求不斷的被提及，發展迅速，也相應的出現了一些開源的網絡操作系統，比如Linux內核轉發，Linux內核中有豐富的網絡協議棧，能處理基本的網絡二三層轉發、NAT、ACL等功能，但是Linux內核最大的問題是性能不夠高，難以適應海量級用戶轉發。

Part 01、VPP簡介 

VPP全稱Vector Packet Processing，據說是Cisco 2002年開發的商用代碼。2016年2月11號，Linux基金會創建FD.io項目。Cisco將VPP代碼的開源版本加入該項目，目前已成為該項目的核心。VPP運行于用戶空間，支持多種收包方式，最常用的就是DPDK收發包。VPP有兩個關鍵特性：

• 框架可擴展
• 成熟的交換/路由功能

VPP是一個模塊化和可擴展的軟件框架，用于創建網絡數據面應用程序。更重要的是，VPP代碼為現代通用處理器平臺(x86、ARM、PowerPC等)而生，并把重點放在優化軟件和硬件接口上，以便用于實時的網絡輸入輸出操作和報文處理。

為了提高性能，VPP數據平面是由轉發節點的有向圖組成，這些節點在每次調用時處理多個數據包。階段模塊化設計框架允許任何人“插入”新的圖形節點，而不需要更改核心/內核代碼。

Part 02  VPP的技術原理 

所謂VPP向量報文處理是與傳統的標量報文處理相對而言的。傳統報文處理方式，同時也是人類常用的邏輯思維方式，即：報文是按照到達先后順序來處理，第一個報文處理完，處理第二個，依次類推；A callsB calls C….return return return，函數會頻繁嵌套調用，并最終返回。Linux內核轉發、OpenVswitch的報文處理都是標量報文處理。

由此可見，傳統標量報文處理有如下缺陷：

1、I-cache 抖動(cache時間局限性和空間局限性特點)

2、I-cache misses

3、除了擴大cache外，沒有變更方案。

相比較而言，向量報文處理則是一次處理多個報文，也相當于一次處理一個報文數組packet[n]如下圖：

直白來說，標量報文處理，也就是傳統的報文處理，一次是一個包走完整個轉發流水線，因為轉發流水線上包含各類的功能，比如以太處理、IP處理、ARP處理、策略處理、NAT處理等等，每個處理模塊在CPU中是不同的指令去完成，所以一個包順序的走完這些流程，導致CPU cache中緩存的指令不能復用，所以會產生抖動，勢必影響轉發效率。而向量報文處理，一次性處理一組向量的報文，一個處理模塊一次性處理多個報文，CPU cache中緩存的指令能夠最大程度得到復用，效率自然會高。

VPP把一批底層硬件隊列Rx ring收到的包，組成一個Packet Vector或者是一組包，借助于報文處理圖Packet Processing graph來實現處理流程，圖節點graph node把整個過程分解為一個個先后連接的服務node。這一組包（packet vector）被第一個graph node節點的任務處理，然后依次被第二個graph node節點的任務處理，依次類推，如下圖所示：

Part 03、  VPP的擴展性  

上圖中提到了新功能的插入。縱觀其他軟轉軟件比如Linux kernel協議棧、open vswitch，整個轉發協議棧代碼基本上是分層的，一個總的入口函數，然后根據不同的處理模塊，進入不同層次的處理函數，如果在某部分新增處理模塊，需要修改主框架的函數邏輯，業務和主框架未解耦，擴展起來不夠靈活。

而VPP則不是，VPP采用一種新的思路來實現業務功能處理，VPP是通過graph node串聯起來形成一條數據路徑來處理報文，每一個功能模塊是一個獨立的node實現，VPP的總體調度框架把這些node串聯起來，node之間可以指定優先級和前后關系，相互獨立，調整起來只需要改變優先級和先后關系。另外，如果新增功能，只需新增一個node，在node中實現新增功能邏輯，然后插入到相應node前后，不用的時候可以disable掉，非常方便，而且新增node可以以插件形式編譯，做到即插即用。

舉個例子，正常的處理順序：DPDK收包node ---> 以太處理node  --> IP輸入node --> IP路由查找node --> 輸出node。新增一個需求，需要DPI匹配指導轉發，那么DPI功能單獨寫成一個node，插入到IP輸入node和IP路由查找node之間，就ok了。

Part 04、VPP的應用 

前面提到過，VPP是個高性能轉發的開源軟件，在如今SDN、NFV、云化、算力網絡的時代，他會發揮更大的價值。VPP可以在云化場景中作為軟路由器/交換機來使用，比如SD-WAN場景中，云端POP點需要具備接入、策略轉發、路由、NAT、隧道等能力，VPP因其豐富的網絡協議棧功能以及高性能處理能力，能夠勝任。比如安全場景中，VPP可以應用于企業出口，做安全網關來使用，再比如，5G核心網中的UPF，也可以使用VPP來實現。總之，需要軟轉發的地方，總會出現VPP的身影。

Part 05、 后記  

前面提到VPP有諸多變革性的優點，比如豐富的二三層網絡協議棧、新增業務開發靈活可擴展、高性能轉發等等，但它也不是萬能的，VPP的代碼上手難度比OVS和Linux內核要高，另外和其他控制面軟件在交互的時候，還略有不足，比如對接路由開源軟件frrouting，需要通過自身的router插件來實現對接，但是router插件很早之前便沒有更新了，功能有所欠缺。同時，VPP本身的穩定性并未達到商用標準，需要使用者在使用的過程中不斷的修復和完善，當然，VPP社區也在不斷的更新，補充更加豐富的功能以及BUG修復，但要想把開源VPP改造成一個成熟的可商用的穩定產品，還有很多工作要做，同時也相信VPP會越來越好。