突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)棧的性能困境

隨著100G/400G高速網(wǎng)絡(luò)普及，傳統(tǒng)Linux內(nèi)核協(xié)議棧暴露出核心瓶頸。內(nèi)核態(tài)處理64B小包難以突破5Mpps（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)），依賴(lài)NPU/ASIC實(shí)現(xiàn)高性能，導(dǎo)致生態(tài)封閉。內(nèi)核調(diào)度抖動(dòng)＞20μs（Cloudflare 2024報(bào)告）。
VPP（矢量包處理）與DPDK的協(xié)同創(chuàng)新，通過(guò)算法重構(gòu)+架構(gòu)解耦，在通用CPU上實(shí)現(xiàn)：

• 性能對(duì)標(biāo)專(zhuān)有硬件：ARM Neoverse N2處理器實(shí)現(xiàn)72Mpps轉(zhuǎn)發(fā)（64B包）
• 成本降低10倍：替代傳統(tǒng)路由器方案（TCO對(duì)比數(shù)據(jù)）
• 全棧開(kāi)放可控：基于FD.io開(kāi)源生態(tài)

VPP：通用CPU上的高性能網(wǎng)絡(luò)引擎

VPP（Vector Packet Processing，矢量包處理）是Linux基金會(huì)旗下FD.io項(xiàng)目中的核心組件。它的目標(biāo)是在通用CPU架構(gòu)（如x86, ARM, POWER）上，提供一個(gè)極其快速的用戶(hù)態(tài)L2-L4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上需要專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)硬件才能達(dá)到的高性能。

矢量處理：效率的革命

傳統(tǒng)“標(biāo)量”處理的痛點(diǎn)： 系統(tǒng)一次僅處理一個(gè)數(shù)據(jù)包，完成整個(gè)流程后才處理下一個(gè)。這導(dǎo)致每個(gè)包都需要獨(dú)立的資源分配、緩存管理和上下文切換開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)I/O速率很高時(shí)，這些開(kāi)銷(xiāo)甚至與處理單個(gè)包的時(shí)間相當(dāng)，效率低下。VPP的解決方案：

• 批量處理： VPP將一組數(shù)據(jù)包（如64個(gè)）組合成一個(gè)“矢量”，在每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)中一次性處理整個(gè)矢量。這大幅分?jǐn)偭速Y源準(zhǔn)備和上下文切換的開(kāi)銷(xiāo)。
• 利用SIMD指令： 現(xiàn)代CPU的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）指令集（如ARM的SVE2）允許單條指令同時(shí)操作多個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)（如同時(shí)處理64個(gè)IPv4地址），顯著加速計(jì)算密集型操作（如路由查找、加解密）。
• 優(yōu)化緩存利用： 一次性將多個(gè)數(shù)據(jù)包加載到CPU高速緩存（L1/L2）中處理，減少了對(duì)主內(nèi)存的頻繁訪問(wèn)次數(shù)，極大提升了效率。

簡(jiǎn)言之，VPP通過(guò)批量化、并行計(jì)算和緩存優(yōu)化，在通用CPU上實(shí)現(xiàn)了接近專(zhuān)用硬件的包處理性能。

用戶(hù)態(tài)協(xié)議棧：繞過(guò)內(nèi)核瓶頸

傳統(tǒng)Linux內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧雖然通用性強(qiáng)，但在高性能場(chǎng)景下存在顯著瓶頸。用戶(hù)程序處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需要頻繁陷入內(nèi)核，帶來(lái)延遲。OSI模型逐層處理和層間數(shù)據(jù)拷貝效率低下。軟中斷與單線程限制， 主要依賴(lài)軟中斷和單線程模型，難以充分利用多核CPU，高并發(fā)下成為瓶頸。
VPP的優(yōu)勢(shì)在于完全在用戶(hù)態(tài)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：

• 消除模式切換： 運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)，結(jié)合DPDK直接訪問(wèn)網(wǎng)卡，徹底繞過(guò)內(nèi)核協(xié)議棧和內(nèi)核態(tài)/用戶(hù)態(tài)切換。
• 融合協(xié)議處理： 將IP、TCP、Session等層處理緊密結(jié)合在同一內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行，減少冗余數(shù)據(jù)傳遞和拷貝。
• 用戶(hù)態(tài)多線程并行： 利用現(xiàn)代CPU多核能力，通過(guò)線程池并行處理多個(gè)數(shù)據(jù)流，調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)更小，任務(wù)分配更靈活，吞吐量可隨核心數(shù)近線性增長(zhǎng)。

用戶(hù)態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是VPP實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵架構(gòu)，通過(guò)消除內(nèi)核瓶頸、融合處理和多核并行，釋放了通用硬件的網(wǎng)絡(luò)潛能。

DPDK（Data Plane Development Kit）是另一個(gè)關(guān)鍵的開(kāi)源項(xiàng)目（同樣在Linux基金會(huì)下）。它提供了一套用戶(hù)態(tài)庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序：

• 核心思想： 繞過(guò)Linux內(nèi)核，直接在用戶(hù)態(tài)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)包處理。
• 實(shí)現(xiàn)方式： 使用用戶(hù)態(tài)的“輪詢(xún)模式驅(qū)動(dòng)程序”（PMD），持續(xù)輪詢(xún)網(wǎng)卡隊(duì)列獲取新數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延遲（工作在L2）。

提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件的直接、高效訪問(wèn)能力。

VPP + DPDK：強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，釋放極致性能

VPP與DPDK的集成是天然且高效的：

• 分工協(xié)作： VPP專(zhuān)注于L2-L7的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理邏輯，而DPDK則作為其底層“驅(qū)動(dòng)程序”，負(fù)責(zé)L2的快速收發(fā)包和直接硬件訪問(wèn)。

核心優(yōu)勢(shì)：

• 直接硬件訪問(wèn)： VPP通過(guò)DPDK直接操作網(wǎng)卡，完全避開(kāi)了內(nèi)核協(xié)議棧及其開(kāi)銷(xiāo)。
• 零拷貝（或最小化拷貝）： DPDK將網(wǎng)卡的DMA內(nèi)存區(qū)域映射到用戶(hù)態(tài)，使得VPP可以直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)包，避免了內(nèi)核態(tài)到用戶(hù)態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝。

這種集成構(gòu)建了一個(gè)完整的、高性能的用戶(hù)態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面，在通用CPU上實(shí)現(xiàn)了以往只有專(zhuān)用硬件才能提供的網(wǎng)絡(luò)性能。

應(yīng)用實(shí)例：開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)

基于VPP+DPDK的強(qiáng)大能力，構(gòu)建了系列開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景需求：

智能網(wǎng)關(guān)平臺(tái)

• 核心硬件： 采用高性能Marvell OCTEON 10 ARM Neoverse N2 8核處理器。
• 性能亮點(diǎn)： 在加載全互聯(lián)網(wǎng)BGP路由表（約100萬(wàn)條）的嚴(yán)苛條件下，仍能提供高達(dá)48Gbps的路由轉(zhuǎn)發(fā)性能。這相當(dāng)于能同時(shí)流暢承載3000路4K高清視頻通話。
• 價(jià)值： 滿(mǎn)足企業(yè)出口網(wǎng)關(guān)、小型城域網(wǎng)邊緣、云邊緣網(wǎng)關(guān)等場(chǎng)景對(duì)高性能、低成本、開(kāi)放性的需求。
• 對(duì)比優(yōu)勢(shì)： 相比未采用VPP的同等硬件平臺(tái)，性能提升超過(guò)10倍。

Helium DPU 智能網(wǎng)卡

• 核心功能： 基于高性能DPU芯片設(shè)計(jì)，通過(guò)PCIe Gen3.0/4.0接口連接服務(wù)器，提供高達(dá)100Gbps的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)功能卸載和加速能力，顯著釋放服務(wù)器主CPU資源。
• 關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

1. 強(qiáng)大的業(yè)務(wù)處理： 支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能卸載（如OVS, Firewall, VPN）及存儲(chǔ)、安全加速。
2. 卓越的開(kāi)放性 & 易移植性： 基于x86開(kāi)發(fā)的DPDK應(yīng)用、VPP應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)Linux驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，僅需簡(jiǎn)單編譯即可快速遷移到Helium DPU卡上運(yùn)行，保護(hù)客戶(hù)投資，降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻。

• 產(chǎn)品規(guī)格： 提供4x25GE和2x100GE端口型號(hào)，更高規(guī)格產(chǎn)品持續(xù)開(kāi)發(fā)中。

公眾號(hào)：星融元Asterfusion（獲取《開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)指南》）