DPDK L3fwd 源码阅读
代码部分
整个L3fwd有三千多行代码，但总体思想就是在L2fwd的基础上，增加网络层的根据 IP 地址进行路由查找的内容。
main.c 文件
int
main(int argc, char **argv)
{
/*......*/
/* init EAL */
ret = rte_eal_init(argc, argv);
if (ret < 0)
rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL parameters\n");
/*......*/
/* parse application arguments (after the EAL ones) */
// 解析命令行参数
ret = parse_args(argc, argv);
if (ret < 0)
rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L3FWD parameters\n");
// 检查 lcore 配置数组的正确性
if (check_lcore_params() < 0)
rte_exit(EXIT_FAILURE, "check_lcore_params failed\n");
// 检查 rx 队列数是否过多，把 param 的东西放到 conf 里
ret = init_lcore_rx_queues();
if (ret < 0)
rte_exit(EXIT_FAILURE, "init_lcore_rx_queues failed\n");
nb_ports = rte_eth_dev_count(); // 获取以太网端口数量
if (check_port_config() < 0) // 验证 port 掩码、 port id 的正确性
rte_exit(EXIT_FAILURE, "check_port_config failed\n");
nb_lcores = rte_lcore_count(); // 获取 lcore 数量
/* Setup function pointers for lookup method. */
setup_l3fwd_lookup_tables();// 设定是 Exact 还是 LPM
/* initialize all ports */
// 初始化端口
RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
/*......*/
ret = rte_eth_dev_configure(portid, nb_rx_queue,
(uint16_t)n_tx_queue, &local_port_conf);
// 配置以太网设备，rx 队列数量根据 param 数组来，tx 数量则是和 lcore 数量相同
/* init memory */
// 分配内存，设置 LPM 或 Hash 表
ret = init_mem(NB_MBUF);
if (ret < 0)
rte_exit(EXIT_FAILURE, "init_mem failed\n");
/* init one TX queue per couple (lcore,port) */
// 设置 Tx queue，每个端口只设置一条
queueid = 0;
for (lcore_id = 0; lcore_id < RTE_MAX_LCORE; lcore_id++) {
/*......*/
ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, queueid, nb_txd,
socketid, txconf);
/*......*/
}
printf("\n");
}
for (lcore_id = 0; lcore_id < RTE_MAX_LCORE; lcore_id++) {
/*......*/
// 配置 Rx 队列，每个端口上设置多条。
for(queue = 0; queue < qconf->n_rx_queue; ++queue) {
/*......*/
rte_eth_dev_info_get(portid, &dev_info);
/*......*/
ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, queueid, nb_rxd,
socketid,
&rxq_conf,
pktmbuf_pool[socketid]);
/*......*/
}
}
printf("\n");
/* start ports */
// 启用设备
RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
/*......*/
/* Start device */
ret = rte_eth_dev_start(portid);
/*......*/
if (promiscuous_on) // 设置混杂模式
rte_eth_promiscuous_enable(portid);
}
/*......*/
}
}
// 检查链路状态
check_all_ports_link_status(enabled_port_mask);
ret = 0;
/* launch per-lcore init on every lcore */
// 在每个lcore上执行函数，包括master lcore，根据选定的 LPM 还是 exact 执行对应的 main_loop 函数
rte_eal_mp_remote_launch(l3fwd_lkp.main_loop, NULL, CALL_MASTER);
RTE_LCORE_FOREACH_SLAVE(lcore_id) {
if (rte_eal_wait_lcore(lcore_id) < 0) {
ret = -1;
break;
}
}
/* stop ports */
RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
if ((enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
continue;
printf("Closing port %d...", portid);
rte_eth_dev_stop(portid);
rte_eth_dev_close(portid);
printf(" Done\n");
}
printf("Bye...\n");
return ret;
}
main 函数中，代码思路就是L2fwd+helloworld。首先分配内存，配置队列、初始化端口等部分与L2fwd相似。除此之外，多出来的几个部分就是L3层的事情：选取网络层路由模式（精确匹配 Exact or 最长前缀匹配LPM）；配置路由表（从代码看就是静态路由表）；检查设备是否支持IP协议（还有不支持IP协议的以太网网卡吗？）；在最后，用 rte_eal_mp_remote_launch() 在各个逻辑核上执行函数，这里使用了函数指针，根据你是选择Exact 还是 LPM 会注册不同的函数。
选取 LPM or Exact Match 的逻辑：
首先，程序会解析命令行参数，可以用命令行参数来选取路由模式。-E 就是精确匹配，-L 就是 LPM。具体可以参考L3 forward sample guide
/* Parse the argument given in the command line of the application */
static int
parse_args(int argc, char **argv)
{
/*......*/
while ((opt = getopt_long(argc, argvopt, short_options,
lgopts, &option_index)) != EOF) {
switch (opt) {
/*......*/
case 'P': // 开启混杂模式
promiscuous_on = 1;
break;
case 'E': // 精确匹配
l3fwd_em_on = 1;
break;
case 'L': // 最长前缀匹配
l3fwd_lpm_on = 1;
break;
/*......*/
/* If both LPM and EM are selected, return error. */
if (l3fwd_lpm_on && l3fwd_em_on) { // Exact match 和 LPM 只能选一种
fprintf(stderr, "LPM and EM are mutually exclusive, select only one\n");
return -1;
}
/*
* Nothing is selected, pick longest-prefix match
* as default match.
*/
if (!l3fwd_lpm_on && !l3fwd_em_on) { // 如果两者都没选，选择 LPM
fprintf(stderr, "LPM or EM none selected, default LPM on\n");
l3fwd_lpm_on = 1;
}
/*
* ipv6 and hash flags are valid only for
* exact macth, reset them to default for
* longest-prefix match.
*/
if (l3fwd_lpm_on) { // 如果选择了LPM，不适用ipv6 和 hash
ipv6 = 0;
hash_entry_number = HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT;
}
if (optind >= 0)
argv[optind-1] = prgname;
ret = optind-1;
optind = 1; /* reset getopt lib */
return ret;
}
LPM 和 精确匹配在 L3fwd 里分别用了两套代码来实现整个网络层协议栈。根据你选择的模式，会通过设置变量和函数指针的方式来调用特定的代码块。
struct l3fwd_lkp_mode {
void (*setup)(int);// 各种函数指针
int (*check_ptype)(int);
rte_rx_callback_fn cb_parse_ptype;
int (*main_loop)(void *);
void* (*get_ipv4_lookup_struct)(int);
void* (*get_ipv6_lookup_struct)(int);
};
static struct l3fwd_lkp_mode l3fwd_lkp; // 会根据是使用 lpm 还是 exact，赋值给下面两个中的一个
static struct l3fwd_lkp_mode l3fwd_em_lkp = {
.setup = setup_hash,
.check_ptype = em_check_ptype,
.cb_parse_ptype = em_cb_parse_ptype,
.main_loop = em_main_loop,
.get_ipv4_lookup_struct = em_get_ipv4_l3fwd_lookup_struct,
.get_ipv6_lookup_struct = em_get_ipv6_l3fwd_lookup_struct,
};
static struct l3fwd_lkp_mode l3fwd_lpm_lkp = {
.setup = setup_lpm,
.check_ptype = lpm_check_ptype,
.cb_parse_ptype = lpm_cb_parse_ptype,
.main_loop = lpm_main_loop,
.get_ipv4_lookup_struct = lpm_get_ipv4_l3fwd_lookup_struct,
.get_ipv6_lookup_struct = lpm_get_ipv6_l3fwd_lookup_struct,
};
static void
setup_l3fwd_lookup_tables(void) // 设定 IP 查表方法是 Exact 还是 LPM
{
/* Setup HASH lookup functions. */
if (l3fwd_em_on)
l3fwd_lkp = l3fwd_em_lkp;
/* Setup LPM lookup functions. */
else
l3fwd_lkp = l3fwd_lpm_lkp;
}
LPM 相关
LPM 就是最长前缀匹配。在DPDK中有个一个专门的 LPM library 来实现LPM的相关模块。LPM 的条目（或者说规则）是由三个部分组成，IP地址、前缀长度、下一跳。分别是 4、1、1个字节。而LPM table，也就是条目的集合，集合组成了路由表。
struct ipv4_l3fwd_lpm_route { // 路由表中一个 entry 的结构
uint32_t ip; // IP 地址
uint8_t depth; // （掩码）前缀位数
uint8_t if_out;// 下一跳
};
// LPM的路由表：IP地址、掩码长度、下一跳
static struct ipv4_l3fwd_lpm_route ipv4_l3fwd_lpm_route_array[] = {
{IPv4(1, 1, 1, 0), 24, 0},
{IPv4(2, 1, 1, 0), 24, 1},
{IPv4(3, 1, 1, 0), 24, 2},
{IPv4(4, 1, 1, 0), 24, 3},
{IPv4(5, 1, 1, 0), 24, 4},
{IPv4(6, 1, 1, 0), 24, 5},
{IPv4(7, 1, 1, 0), 24, 6},
{IPv4(8, 1, 1, 0), 24, 7},
};
LPM library 中主要用到的几个功能如下：
- 创建 LPM table 对象。
- 朝 LPM table 插入一个条目。拿上面那个条目的结构体和LPM table对象作为参数。如果表中没有相同前缀的规则，则新规则将添加到LPM表中。如果表中已存在具有相同前缀的规则，则更新规则的下一跳。
- 路由功能。输入就是目的IP地址，算法会选择匹配的规则，并返回该规则的下一跳。如果LPM表中存在多个具有能匹配的规则，则算法选择具有最长前缀位数的规则作为最佳匹配规则。
（以上都是TCP/IP的基础知识）
LPM的思路是挺简单的，然而具体的代码实现算是一个大工程，思路也是非常有意思。具体的工程方法叫做 DIR-24-8，可以参考LPM library - implementation details（这足以让一个Stanford phd 毕业~文末有给出2000年研究这个方法的phd论文）
Exact match 相关
实现精确匹配时，路由表的内容是<五元组，下一跳>，实现思路是将五元组信息过 hash 函数，得到一个hash value用作路由表的 index。只有五元组都相同才会匹配成功，才能得到正确的路由表的index，才能得到合法的下一跳地址。这样就实现了精确匹配。DPDK中为了实现快速的hash查找有专门的 hash library。DPDK 为了性能要求，在 hash library 中对 hash table有特定的要求：hash key 的长度必须固定，hash 表的条目也是有限的。这两点在创建 hash table 对象时必须配置。hash library 中有用到的几个功能如下：
- 创建新的 hash table 对象
- 在 hash table 中加入一个条目，键值是 key。如果添加成功，返回值为一个正值，此值对于此键是唯一的。
- 以键值 key 查询 hash table，若查询成功，会返回一个正值。此正值对于此键是唯一的，并且与添加键时返回的值相同。使用这两个API的返回的正值作为某个数组（下一跳数组）或者结构体数组的下标，就可以实现精确匹配了。
hash 库中使用了所谓 cuckoo hash 的实现方法。
// 精确匹配的路由表，是五元组和下一跳
static struct ipv4_l3fwd_em_route ipv4_l3fwd_em_route_array[] = {
// 目的IP地址 源IP地址 目的/源 端口号 协议类型 下一跳
{{IPv4(101, 0, 0, 0), IPv4(100, 10, 0, 1), 101, 11, IPPROTO_TCP}, 0},
{{IPv4(201, 0, 0, 0), IPv4(200, 20, 0, 1), 102, 12, IPPROTO_TCP}, 1},
{{IPv4(111, 0, 0, 0), IPv4(100, 30, 0, 1), 101, 11, IPPROTO_TCP}, 2},
{{IPv4(211, 0, 0, 0), IPv4(200, 40, 0, 1), 102, 12, IPPROTO_TCP}, 3},
// 所谓精确匹配就是五元组的信息 hash后，只有五元组都相同才会匹配成功。
// 所以 exact 就是配置 hash
};
三层转发
// 检查packet是否符合网络层的要求：
static inline int
is_valid_ipv4_pkt(struct ipv4_hdr *pkt, uint32_t link_len)
{
/* From http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1812.txt section 5.2.2 */
/*
* 1. The packet length reported by the Link Layer must be large
* enough to hold the minimum length legal IP datagram (20 bytes).
*/
if (link_len < sizeof(struct ipv4_hdr)) // 正常的包长度不能短于 header 长度（20 bytes）
return -1;
/* 2. The IP checksum must be correct. */
/* this is checked in H/W */
/*
* 3. The IP version number must be 4. If the version number is not 4
* then the packet may be another version of IP, such as IPng or
* ST-II.
*/
if (((pkt->version_ihl) >> 4) != 4) // 版本号字段必须是 4
return -3;
/*
* 4. The IP header length field must be large enough to hold the
* minimum length legal IP datagram (20 bytes = 5 words).
*/
if ((pkt->version_ihl & 0xf) < 5) // IP header length 字段的值必须大于 5
return -4;
/*
* 5. The IP total length field must be large enough to hold the IP
* datagram header, whose length is specified in the IP header length
* field.
*/
if (rte_cpu_to_be_16(pkt->total_length) < sizeof(struct ipv4_hdr)) // 总长度字段的值要大于等于 20
return -5;
return 0;
}
// 网络层的处理：
static __rte_always_inline void
l3fwd_lpm_simple_forward(struct rte_mbuf *m, uint16_t portid,
struct lcore_conf *qconf)
{
struct ether_hdr *eth_hdr;
struct ipv4_hdr *ipv4_hdr;
uint16_t dst_port;
eth_hdr = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *); // 从 pkt m 中获取 MAC header
if (RTE_ETH_IS_IPV4_HDR(m->packet_type)) { // 查看 pkt 的 L3 header type 是不是 IPv4
/* Handle IPv4 headers.*/
ipv4_hdr = rte_pktmbuf_mtod_offset(m, struct ipv4_hdr *,
sizeof(struct ether_hdr)); // 从 pkt m 中获取 IP header
#ifdef DO_RFC_1812_CHECKS
/* Check to make sure the packet is valid (RFC1812) */
if (is_valid_ipv4_pkt(ipv4_hdr, m->pkt_len) < 0) { // 根据 RFC1812 的内容对 pkt 进行验证。
rte_pktmbuf_free(m); // 如果不是合法的包就丢包
return;
}
#endif
dst_port = lpm_get_ipv4_dst_port(ipv4_hdr, portid,
qconf->ipv4_lookup_struct); // 获取“下一跳” （目的端口），这会根据你选择的方法是LPM还是Exact而调用不同的代码。
if (dst_port >= RTE_MAX_ETHPORTS ||
(enabled_port_mask & 1 << dst_port) == 0)
dst_port = portid; // 如果成功获取了目的端口，但端口没有启用或是超过了最大数量的限制，就设置目的端口与收包的端口一样。
//（从哪里收到的就原路返回。
#ifdef DO_RFC_1812_CHECKS
/* Update time to live and header checksum */
--(ipv4_hdr->time_to_live); // TTL 自减 1
++(ipv4_hdr->hdr_checksum);
#endif
/* dst addr */
*(uint64_t *)ð_hdr->d_addr = dest_eth_addr[dst_port];
//根据查表得出的下一跳 port id，根据dest_eth_addr[dst_port]中的信息，改写 eth_hdr 中的 目的 MAC 地址字段。
/* src addr */
ether_addr_copy(&ports_eth_addr[dst_port], ð_hdr->s_addr);
// 根据ports_eth_addr数组改写 eth_hdr 中的 源 MAC 地址字段。
send_single_packet(qconf, m, dst_port); // 协议栈的东西都处理完之后就加入发包队列
} else if (RTE_ETH_IS_IPV6_HDR(m->packet_type)) { // 如果不是 IPv4 而是 IPv6 的话
/* Handle IPv6 headers.*/
/*......*/
} else { // 网络层协议不是 IP
/* Free the mbuf that contains non-IPV4/IPV6 packet */
rte_pktmbuf_free(m); // 丢包
}
}
这部分如果传统TCP/IP网络知识掌握的比较扎实，看懂是没什么难度的。
二层发包
/* Enqueue a single packet, and send burst if queue is filled */
static inline int
send_single_packet(struct lcore_conf *qconf,
struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
{
uint16_t len;
len = qconf->tx_mbufs[port].len;
qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
len++; // 将该 pkt 进入发包队列
/* enough pkts to be sent */
if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) { // 当 tx queue 长度达到 Burst 就一次性发出
send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
len = 0; // 清空发包队列长度
}
qconf->tx_mbufs[port].len = len;
return 0;
}
/* Send burst of packets on an output interface */
static inline int
send_burst(struct lcore_conf *qconf, uint16_t n, uint16_t port)
{
struct rte_mbuf **m_table;
int ret;
uint16_t queueid;
queueid = qconf->tx_queue_id[port];
m_table = (struct rte_mbuf **)qconf->tx_mbufs[port].m_table;
ret = rte_eth_tx_burst(port, queueid, m_table, n); // 参数：从哪个端口/哪条队列/发出的pkt 的mbuf/发多少个包
if (unlikely(ret < n)) {
do {
rte_pktmbuf_free(m_table[ret]);
} while (++ret < n);
}
return 0;
}
// 逻辑核上的main函数
/* main processing loop */
int
lpm_main_loop(__attribute__((unused)) void *dummy)
{
struct rte_mbuf *pkts_burst[MAX_PKT_BURST];
unsigned lcore_id;
uint64_t prev_tsc, diff_tsc, cur_tsc;
int i, nb_rx;
uint16_t portid;
uint8_t queueid;
struct lcore_conf *qconf;
const uint64_t drain_tsc = (rte_get_tsc_hz() + US_PER_S - 1) /
US_PER_S * BURST_TX_DRAIN_US; // 每隔一段时间发包的计时器
prev_tsc = 0;
lcore_id = rte_lcore_id();
qconf = &lcore_conf[lcore_id];
if (qconf->n_rx_queue == 0) { // 该 lcore 没有配置收包队列。
RTE_LOG(INFO, L3FWD, "lcore %u has nothing to do\n", lcore_id);
return 0;
}
RTE_LOG(INFO, L3FWD, "entering main loop on lcore %u\n", lcore_id);
for (i = 0; i < qconf->n_rx_queue; i++) { // 打印该 lcore 负责的每条收包队列
portid = qconf->rx_queue_list[i].port_id;
queueid = qconf->rx_queue_list[i].queue_id;
RTE_LOG(INFO, L3FWD,
" -- lcoreid=%u portid=%u rxqueueid=%hhu\n",
lcore_id, portid, queueid);
}
while (!force_quit) {
cur_tsc = rte_rdtsc();
/*
* TX burst queue drain
*/
diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) { // 该发包了
for (i = 0; i < qconf->n_tx_port; ++i) {
portid = qconf->tx_port_id[i];
if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
continue;
send_burst(qconf,
qconf->tx_mbufs[portid].len,
portid); // 该函数见 l3fwd.h
qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
}
prev_tsc = cur_tsc;
}
/*
* Read packet from RX queues
*/
for (i = 0; i < qconf->n_rx_queue; ++i) { // 对 lcore 负责的每条 rx queue
portid = qconf->rx_queue_list[i].port_id;
queueid = qconf->rx_queue_list[i].queue_id;
nb_rx = rte_eth_rx_burst(portid, queueid, pkts_burst,
MAX_PKT_BURST); // 收包
if (nb_rx == 0)
continue;
// 转发
#if defined RTE_ARCH_X86 || defined RTE_MACHINE_CPUFLAG_NEON \
|| defined RTE_ARCH_PPC_64
// 对于 x86 系统架构的，使用优化 buffer 的转发方法（没看
l3fwd_lpm_send_packets(nb_rx, pkts_burst,
portid, qconf);
#else
// 否则是普通的tx buffer转发方法
l3fwd_lpm_no_opt_send_packets(nb_rx, pkts_burst,
portid, qconf); // 参数：包数量/包的mbuf/收包的port/收包的qconf
#endif /* X86 */
}
}
return 0;
}
二层发包就参考L2fwd。
参考
- DPDK IPV4 LPM(路由表实现)详解
- DPDK-LPM LIBRARY 最长前缀匹配算法
- DPDK中的cuckoo hash算法
- DPDK-HASH LIBRARY
- Pankaj Gupta 2000年的斯坦福phd，博士毕业论文是关于IP层的路由查找，最长前缀匹配（LPM），流分类等
- 北邮 路由查询ppt
todo
- DPDK流分类优化，不得不知道的事~
- 使用RSS提升DPDK应用的性能 内含一篇paper
