FDIR簡介

在CPU單核時代，數(shù)據(jù)包經(jīng)由網(wǎng)卡接收后均被送往唯一的CPU進行處理。隨著多核時代到來，出現(xiàn)了負載均衡問題（某些core過載，而另一些core空載的情況）。為解決該問題，RSS（Receive Side Scaling）技術(shù)先通過hash操作將數(shù)據(jù)包發(fā)送到不同的core上進行中斷處理，然后再經(jīng)由core間轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到運行目的應用所在的core上。雖然負載看似在多core上均衡了，但由于hash的抗碰撞特性，大量數(shù)據(jù)包會被送到了不匹配的core上，因而數(shù)據(jù)包的core間轉(zhuǎn)發(fā)成為性能瓶頸。

Intel 以太網(wǎng)Flow Director技術(shù)（Intel Ethernet Flow Director，簡稱FDIR）將數(shù)據(jù)包定向發(fā)送到對應應用所在core上，從而彌補了RSS的不足，可用來加速數(shù)據(jù)包到目的應用處理的過程。在新一代Intel 以太網(wǎng)800系列網(wǎng)絡適配器中，F(xiàn)DIR有了更多的規(guī)則空間硬件資源和更靈活的配置機制。

如同Linux提供了純軟件實現(xiàn)的RSS版本一樣，Linux也提供了純軟件實現(xiàn)的ATR（Application Targeting Routing）模式的Flow Director，稱為RFS（Receive Flow Steering）。盡管功能上等效，但是RFS無法達到FDIR對網(wǎng)絡性能的提升效果，因為它必須通過某個core來執(zhí)行調(diào)度數(shù)據(jù)包，而且該core大概率不是目的應用所在的core。因此，ATR模式的FDIR可被看作RFS的智能卸載硬件加速方案。

FDIR工作原理

在網(wǎng)絡適配器硬件接收到數(shù)據(jù)包時，硬件Parser會通過Parse Graph狀態(tài)機對數(shù)據(jù)包進行解析提取出一些重要信息（如數(shù)據(jù)包類型）并填充在該數(shù)據(jù)包的descriptor中；

硬件Profile Chooser根據(jù)數(shù)據(jù)包的PTYPE、Flag位、所屬VSI等信息生成Profile ID；硬件Field Extractor根據(jù)該Profile ID提取出對應的Field Vector；根據(jù)mask寄存器中的信息，對Field Vector中有效字段（word）進行mask操作；根據(jù)Input Set寄存器中Field Vector到Input Set的映射關(guān)系，生成FDIR的Input Set。

基于數(shù)據(jù)包提取出的Input Set，F(xiàn)DIR會查表進行精確匹配和優(yōu)先級判斷，從而確定出對應的action。常見的action包括：1）Drop：根據(jù)FDIR表中對應規(guī)則的DROP Flag位決定是否drop該數(shù)據(jù)包。2）To Queue：將數(shù)據(jù)包發(fā)送至目的Queue，或在進行hash操作后發(fā)送至Queue Group（也叫Queue Region）中的某個Queue。3）Counter：對匹配的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計計數(shù)，計數(shù)的方式有：基于個數(shù)、基于byte數(shù)據(jù)量、基于個數(shù)和byte數(shù)據(jù)量。

其中，F(xiàn)DIR匹配準則依據(jù)包括：1）Input Set向量域；2）數(shù)據(jù)包所屬的VSI；3）數(shù)據(jù)包所匹配的Profile。

FDIR使能機制

Intel 以太網(wǎng)800系列網(wǎng)絡適配器最多可支持16k條FDIR規(guī)則，這些規(guī)則空間資源在硬件中是以 “獨占（ guaranteed ）” + “共享（ best effort ）” 的形式進行分配的。其中，每個PF享有固定大小的獨占資源，該獨占資源又可被各PF下的VF分配使用；除去所有PF享有的獨占資源，其余的FDIR空間資源都作為共享資源，被所有PF及其VF所共享使用。例如，在4端口25G E810中，每個PF獨占資源有512，共享資源有14k（16k-512*4=14k）。獨占和共享資源的配置，是通過寫寄存器實現(xiàn)的。

對FDIR Queue的初始化同樣是通過寫寄存器完成的，包括：分配FDIR VSI硬件資源；映射TC LAN Queue到VSI；初始化FDIR哈希表；初始化FDIR統(tǒng)計計數(shù)器；分配并初始化TX/RX LAN Queue；綁定中斷到VSI Queue；分配并初始化Ring Buffer；分配FDIR Profile資源等。

在DPDK中，F(xiàn)DIR規(guī)則可以通過rte_flow的組織形式runtime進行配置。每條規(guī)則中包含了必要的 Pattern和Action信息。

緊接著基于rte_flow規(guī)則中解析出的Input Set，分配Profile ID；注冊HW Profile；創(chuàng)建PTYPE Group的映射關(guān)系；在TCAM中添加對應的Field Vector。再之后driver根據(jù)解析出的Input Set的值分配Queue的Descriptor并對LAN+FDIR Descriptor進行填充，然后構(gòu)建相應的FDIR Dummy Packet。

通過FDIR TX Queue將規(guī)則實體以特定的格式發(fā)送給網(wǎng)卡的firmware，并返回處理的狀態(tài)結(jié)果。

其中，每個FDIR規(guī)則實體的內(nèi)容是由64 bytes數(shù)據(jù)構(gòu)成，由以下參數(shù)組成：1）從數(shù)據(jù)包中提取的參數(shù)：48 bytes的Input Set；數(shù)據(jù)包所匹配的Profile等。2）從軟件Descriptor中接收到的參數(shù)：目的Queue；FDIR ID；數(shù)據(jù)包所屬的VSI；統(tǒng)計計數(shù)器；控制相關(guān)的Flag位等。3）自維護的存儲管理參數(shù)：PF/VF/VSI標志位；有效Flag位等。

FDIR應用場景舉例

OVS Partial Offload：在HW中設(shè)置帶有mark ID的FDIR規(guī)則，匹配的數(shù)據(jù)包會在對應的descriptor中記錄對應的mark ID，上層的OVS可以基于此mark ID直接對該數(shù)據(jù)包的SKB進行相應的處理，從而省去了大量的解析查詢等操作并大大提升了性能。

結(jié)語

當前VMware或Microsoft并不支持FDIR功能。FDIR更適合在純“裸機（bare metal）” 上的Linux應用程序中提升網(wǎng)絡性能，特別是那些網(wǎng)絡通信量極大、處理小數(shù)據(jù)包極多的應用程序。在那些看重網(wǎng)絡性能的應用程序（例如Memcached）中，F(xiàn)IDR為以太網(wǎng)領(lǐng)域在高帶寬、低延遲等方向提供了顯著的性能增強。伴隨的好處也包括降低CPU占有率、節(jié)省功耗等，因而更適合配合intel的高性能CPU使用。

原文標題：基于Intel?以太網(wǎng)800系列網(wǎng)絡適配器的FDIR功能及原理介紹

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責任編輯：haq