DPDK与QoS(服务质量)-DPDK中文网

前言：QoS是网络中提供差异化服务的重要方法，它通过区分不同的流量和优先级，为不同的应用和使用者提供不同质量的网络服务，比如，金融网络，可能购买了专线，要求延迟小，更不能忍受丢包，自然优先级就高些；又比如网络直播和游戏，对于网络的延迟要求非常高，而普通的上网用户则没有这么高的要求（土豪除外）。DPDK中提供了QoS的参考框架，包含了多个流程组件，十分有趣。

1.DPDK QoS 概述

在DPDK提供的QoS框架中，一个复杂的处理流程被分成了几个不同的处理阶段，如下图所示：

对于这些流程中模块，其具体解释是这样的：

从这个图中可以看出，整个包的处理过程被分成了4个阶段完成。

1.第一阶段是在线程0中的,主要的工作就是接收包然后进行检查校验。
2.第二阶段是一个重点，主要工作是进行流分类,测速和负载均衡。把不同的流量导到不同的工作负载核上。
3.第三阶段是在不同的负载核上处理业务报文。
4.第四阶段也是一个非常重要的阶段，主要工作是根据算法调度，丢弃，最后发送出去。

这次重点介绍QoS的部分，也就是第四阶段，第二阶段的流分类和负载均衡在后面再进行单独说明。

2.DPDK QoS模块分析

因为重点分析的是第四阶段的处理过程，所以，这个阶段中主要包含3个模块：测速标记模块（流量监督，police），弃包策略模块（拥塞避免,dropper），调度模块（拥塞管理,sched）。依次说明这三个部分。

在QoS里，有两个概念：流量监督和流量整形。他们的区别是流量监督对于不符合流量特征的报文直接丢弃，而流量整形对于不符合流量特征的报文进行缓存，减少了丢包；自然，相对的，流量整形可能就引入延迟，而流量监督几乎不会导致延迟。

2.1 测速标记模块

测速模块主要就是测量一个流的速度，然后根据速度情况打上颜色标记。DPDK中提供了2种测速标记算法—srTCM（单速三色标记）和trTCM(双速三色标记)。通过算法计算，会根据结果为每个包标记上红或者绿或者黄三种颜色。

2.1.1 令牌桶算法

无论是srTCM还是trTCM都是基于令牌桶算法实现的，了解了令牌桶算法，就了解了这两种测速标记算法的大部分。简单的说，令牌桶算法测速限速的原理就是：每个符合规则的报文，只有在从桶中拿到令牌后才能发送出去。那桶中的令牌是怎么来的呢？可以自己设置桶中令牌生成的速度，也就是通过设置生成令牌的生成速度来定义发送数据包的速度。通常为了数据包解决突发性问题等，会使用2个令牌桶，根据他们各自生成令牌的速度，分为单速三色标记和双速三色标记。具体详细的令牌桶算法可以参考如下链接：http://blog.csdn.net/maotianwang/article/details/41310957

2.1.2 DPDK测速标记接口

测速标记接口使用起来，非常简单，主要接口定义在rte_meter.c和rte_meter.h中，在使用前先配置一下限速的参数。struct rte_meter_trtcm_params,这是使用双速三色算法的配置参数结构体。配置完成后，就在处理每个符合规则的包时，调用rte_meter_trtcm_color_blind_check()来给当前的包标记颜色，这里使用了色盲模式，对于单速和双速算法，都可以使用色盲或者非色盲模式，他们的差别就是色盲模式对于包已经标记的颜色不关心，只计算当下应该标记什么颜色；而非色盲模式会关心包已经被标记的颜色，再结合当下的情况，综合以后再标记颜色。

2.2 拥塞避免模块

拥塞避免使用的主要算法是RED(早期随机丢弃)，当拥塞快要发生前，提前丢弃一些报文，避免最后拥塞发生。当然，这里的随机丢弃是这样的：算法设置有两个阀值，当小于最小阀值时不丢弃，当介于最小阀值和最大阀值之间，随机丢弃，当大于最大阀值时，采用尾丢弃。如下盗图：

自然，在随机丢弃阶段，因为所有的包一视同仁，可能会丢弃真正重要的包。因此，可以采用WRED等,带有权重的随机丢弃算法，根据优先级的不同选择丢包。

2.2.1 DPDK拥塞避免接口

拥塞避免接口主要定义在rte_red.c和rte_red.h文件中，使用起来也很简单，也是要先配置阀值等参数。配置完成后，当数据包到来时，会根据队列剩余的空间大小，来决定是否需要丢弃数据包。

rte_red_config_init(),对算法的参数进行配置。
rte_red_enqueue(),如果返回值为0，则不丢弃；如果返回值为1，则表示超过最大阀值丢弃；如果返回值为2，丢弃，因满足随机丢弃条件而丢弃。

拥塞避免模块经常和拥塞sched一起使用。

2.3 拥塞管理模块

在拥塞管理模块中，主要就是一个调度功能。DPDK的调度功能是分层调度，共分为4个层次，如下图：

其每一层次代表的意思看下图的解释：

这种分层调度是个很复杂的过程，具体细节就没有细究了。最后看一下其接口吧。

2.3.1 拥塞管理接口

首先也是进行每一个层次的初始化配置：

rte_sched_port_config();rte_sched_subport_config();rte_sched_pipe_config()，对于每一层的配置，都有对应的结构体。如struct rte_sched_subport_params等。根据需要设置参数。
rte_sched_port_enqueue()尝试入队，在其中就会进行RED算法和调度处理，如果符合条件，则可能会丢弃数据包，所以，返回值是实际调度的数据包个数。
rte_sched_port_dequeue(), 取出存在队列中经过调度的包，然后就可以发送了。