基于KVM的SRIOV直通配置及性能測試

SRIOV介紹、VF直通配置，以及包轉發率性能測試

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目錄

? 1. SRIOV介紹
? 2. 環境說明
? 3. 開啟SRIOV
? 4. 生成VF
? 5. VF直通
? 6. 開啟irqbalance
? 7. VM遷移
? 8. 帶寬限速
? 9. 安全
? 10. 其他使用限制
? 11. 性能測試
? 12. windows虛擬機使用VF
? 13. 運維命令
? 14. 宿主屏蔽VF驅動
? 附. 包轉發率測試方法
? 附. 參考文檔

1. SRIOV介紹

? 傳統方式的瓶頸：qemu的網卡，傳統方式是使用tap網卡，橋接到宿主的bridge上，但性能很差，尤其是包轉發率很低，難以滿足對性能要求比較高的場景。性能差的主要原因是路徑太長，經過的內核設備太多，根本原因在于linux/unix內核本身就不是為高性能而設計的，linux/unix更適合做控制平面，而不是轉發平面。
? 解決思路：減少中間路徑，最簡單有效的方法就是bypass內核。SRIOV的作用就是bypass宿主內核。
? PF和VF：每個物理網卡（比如p1p1）就是一個PF，在開啟SRIOV后，每個PF可以生成固定數量的VF，每個VF都可以在宿主上作為一張網卡直接使用，或者直通到QEMU虛擬機里作為虛擬機里的網卡使用，這就實現了bypass宿主內核。

先給出性能測試的結論，SRIOV VF直通相比傳統tap+bridge方案，性能提升：

? 發包轉發率提高: 677%
? 收包轉發率提高: 171%

2. 環境說明

機型：Dell PowerEdge R620
網卡：Intel X520（82599ES）
宿主OS：CentOS 7
VM OS：CentOS 7

3. 開啟SRIOV

1?? 在BIOS里開啟SRIOV，如圖所示

注：即使BIOS里開啟全局SRIOV，網卡也依然可以當作普通網卡使用

2?? 需要在BIOS里開啟VT-d

3?? grub配置iommu

iommu=pt intel_iommu=on

4. 生成VF

# 啟動網卡
ip link set p1p1 up

# 查看pf的pci編號
lshw -c network -businfo

# 查看網卡支持的vf數量
cat /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_totalvfs

# 生成vf，建議加入開機啟動
echo 63 > /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_numvfs

注意：若沒有屏蔽宿主的VF驅動，則在生成vf后還必須等待一會時間才能在宿主上看到所有命名完成的網卡（否則會看到一堆ethX網卡），vf數量越多需要等待時間越長，63個vf，差不多需要10秒

5. VF直通

如果qemu是通過libvirt管理的，有3種配置方法：

? 方法1（interface）：在devices段落里加入

<interface type='hostdev' managed='yes'>
  <mac address='52:54:00:ad:ef:8d'/>
  <source>
    <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x41' slot='0x10' function='0x0'/>
  </source>
  <vlan>
    <tag id='4010'/>
  </vlan>
</interface>

上面<source>中address的地址，可以根據“lshw -c network -businfo”來配置，比如

pci@0000:41:10.0 p1p1_0

? 方法2（hostdev）：在devices段落里加入

<hostdev mode='subsystem' type='pci' managed='yes'>
  <source>
    <address domain='0x0000' bus='0x41' slot='0x10' function='0x0'/>
  </source>
</hostdev>

上面<source>中address的地址，也是根據“lshw -c network -businfo”來配置

? 方法3（net-pool）

為每個PF網卡定義一個net-pool，即分別編輯一個xml文件。這里僅展示一個PF，編輯sriov-int.xml

<network>
  <name>sriov-int</name>
  <forward mode='hostdev' managed='yes'>
    <pf dev='p1p1'/>
  </forward>
</network>

加入到libvirt net-pool、激活、并設置開機啟動

virsh net-define sriov-int.xml
virsh net-start sriov-int
virsh net-autostart sriov-int

雖然配置了net-autostart，但并不管用，因為物理機啟動時候，經常會在啟動生成vf（假設在rc.local里生成vf）之前就啟動libvirt，而這個net-pool（sriov-int）本應該在vf生成后才能啟動，因此建議在rc.local里增加如下內容來確保啟動

ip link set p1p2 up
echo 63 > /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_numvfs
virsh net-start sriov-int

然后，在vm的xml里增加

<interface type='network'>
  <mac address='52:54:00:ad:ef:8d'/>
  <source network='sriov-int'/>
  <vlan>
    <tag id='4010'/>
  </vlan>
</interface>

3種方法如何選擇

? 方法1：功能多，可以配置mac和vlan
? 方法2：mac和vlan需要自己在宿主上敲ip命令設置
? 方法3：有2個問題
? 存在一個bug，當本宿主所有vm使用某個PF的VF總數超過VF上限后，不會報錯，也能啟動，但是可能會有異常，并且vm如果被destroy關機，那么對應的VF就會出問題，比如使用ip link set p1p1 vf 0 mac 00:00:00:00:00:00來做重置時候，會提示“RTNETLINK answers: Cannot allocate memory”，而且難以修復，即使修復，也不知道有沒有看不見的異常存在。
? 沒有辦法知道某個vm使用的是哪個vf，因此如果要對vf設置限速或者開關spoofchk時候，只能先在宿主上通過“ip link show dev p1p1 | grep MAC地址”方式來獲得vf號，然后才能設置限速等操作

綜上所述：使用方法3最便捷，但是存在bug，因此需要做好邏輯來防止vm使用vf總數超過上限的情況。

6. 開啟irqbalance

x520是2隊列，x710是4隊列，需要在vm里啟動中斷平衡服務（irqbalance），否則只會有一個cpu來處理數據包。

另外，這與宿主上vf的query_rss無關。

7. VM遷移

直通網卡屬于PCI設備，而libvirt和qemu卻不支持帶有非USB的PCI設備的vm做遷移，包括冷遷移和熱遷移。因此熱遷移無法實現。

冷遷移，有2種方案:

? detach掉vf網卡，然后使用libvirt做遷移，遷移過去后，再在新宿主上attach vf網卡
? undefine vm，然后在新宿主上重新渲染并define vm

注意：不能在vm關機時候用libvirt的遷移功能，有時候會導致虛擬機消失掉，包括原宿主和新宿主

8. 帶寬限速

只能限制出站帶寬，無法限制入站帶寬

ip link set p1p1 vf 0 max_tx_rate 100

表示出站帶寬限速100Mbps，不同網卡有差別:

? x520網卡最小限速11Mbps，最大限速10000Mbps，設為0表示不限速。若小于11或大于10000則會報錯
? x710網卡最小限速50Mbps，最大限速10000Mbps，設為0表示不限速。若小于50則自動設為50，若大于10000則會報錯

注意：vm關機后vf的帶寬限速不會復位

9. 安全

僅支持源mac過濾和網卡mac防篡改，不支持其他安全防護（防arp欺騙就無法實現）

源mac過濾

ip link set p1p1 vf 0 spoofchk on

表示vm里發出的包，如果源mac不是指定mac，那么數據包不允許通過。注意：vm關機后vf的spoofchk不會復位

網卡mac防篡改

? 在宿主上修改mac，vm里的mac不會跟著改；在vm里修改mac，在宿主上可以看到變化
? 如果在vm關機狀態下改了mac地址，那么當vm開機后會改為vm的mac，當vm又關機后，又回改為原先改的mac
? 只有在宿主上看到的當前vf的mac為全0，才能在vm里修改mac地址，即使vf的spoofchk為off。但有一種例外，若使用上面方法2來配置xml，雖然宿主上看到的vf的mac不為0，但vm里可以修改
? 當在宿主上設置了mac后，虛擬機里的mac就無法篡改了
? 方法1（interface）來配置xml，估計vm啟動時候就自動幫忙在宿主上設置了mac，所以就直接實現了防篡改功能
? 方法2（hostdev）來配置xml，需要在宿主上手動再設置一次mac地址才能實現防篡改

在宿主上手動修改mac方法（vm關機和開機情況下都可以改）:

ip link set p1p1 vf 0 mac aa:bb:cc:dd:ee:ff

建議:

? 在vm啟動前對vf做一次重置
? 在vm undefine后對vf做一次重置

10. 其他使用限制

? 直通到vm里的vf網卡里無法橋接到vm里的linux bridge，這也導致ebtables無法使用，iptables可以使用
? 直通到vm里的vf網卡可以加入ovs橋接
? 一個vm最多只能支持32個vf，超過數量會報錯

11. 性能測試

測試方法：

? 多臺vm同時發包，一臺vm收包，分別觀察發包性能和收包性能
? 發包vm在同一臺宿主上，收包vm在另一臺宿主上
? 測試工具：modprobe pktgen
? 測試包大小: udp包，size為64 bytes

配置：

? vm配置均為4核8G
? 物理網卡均為x520（vf隊列默認為2）
? 宿主和vm均開啟irqbalance、均關閉numad
? 不配置cpu綁定、不配置numa綁定
? 開啟大頁

測試結果：

測試結論：

使用SR-IOV+VF直通方式可以明顯提升包轉發率，1對1的測試結果看到kernel態發包可以達到3.5Mpps，收包可以達到1.9Mpps

? 發包比vxlan提高: 1196%，比vlan提高: 677%。此結果參考1對1（1個發包vm，1個收包vm）
? 收包比vxlan提高: 363%，比vlan提高: 171%。此結果參考3對1（3個發包vm，1個收包vm）

說明：

? kernel態單核數據包(64B)處理能力為2Mpps
? 2Mpps是因為kernel態瓶頸是2Mpps，如果通過dpdk走用戶態，則可以大于2M，原因：收包端要將數據包中斷平衡到不同的cpu上，方法：可以通過多隊列方式，把每個隊列分配到單獨cpu上（irqbalance會自動均衡），然后source ip不一樣，就會對應到不同隊列，也就是不同的中斷上。即1個VF，2個隊列，VM有至少2核，那么當符合負載均衡條件（mac、ip不同），則理論上最大可以達到4Mpps

更多測試結果：

以下測試使用的packet大小為64B

? kernel態，3層轉發性能:發包器使用不同的source ip

? BCM57800:2Mpps
? Intel X520:10Mpps
? Intel X710:12Mpps

? kernel態，2層轉發性能:發包器使用不同的source mac

? BCM57800:2Mpps
? Intel X520:7.3Mpps
? Intel X710:7.8Mpps

? kernel態下vxlan封裝能力

? vxlan內層使用不同的source ip發包
? 收包在:1.1-1.2Mpps

? dpdk用戶態，2層轉發性能:發包器使用不同的source ip

? BCM57800:不支持
? Intel X520:14.8Mpps
? Intel X710:14.8Mpps

? SR-IOV模式

? X520總量11.2Mpps，每vm為11.2Mpps/vm總數(即VF數)

總結：

? kernel態下的中斷平衡的依據因素:2層依據source mac,3層依據source ip
? kernel態下使用傳統中斷模式的單核轉發能力極限2Mpps

注意：

? kernel態下，利用多隊列RSS中斷平衡提升吞吐率，會導致cpu非常高
? 用戶態下即使source mac或source ip固定，吞吐率基本接近限速14.8Mpps
? vxlan不能利用多核來提升吞吐，主要原因為外層source ip不夠多

12. windows虛擬機使用VF

到網卡官網下載對應驅動并安裝，經測試，win2012默認就有82599（x520）驅動，但版本舊

13. 運維命令

# 查看網卡支持的vf數量
cat /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_totalvfs

# 宿主屏蔽VF驅動后查看vf和pf的對應
https://github.com/intel/SDN-NFV-Hands-on-Samples/blob/master/SR-IOV_Network_Virtual_Functions_in_KVM/listvfs_by_pf.sh
載下來后執行./listvfs_by_pf.sh即可

# 宿主屏蔽VF后查看哪些VF正在被使用
yum install dpdk-tools
dpdk-devbind --status

# 查看網卡對應哪個socket
lstopo-no-graphics

# lspci查看網卡信息
lspci -Dvmm|grep -B 1 -A 4 Ethernet

# 宿主上查看具體VF流量（僅支持x520，x710查不到）
ethtool -S p1p1 | grep VF

14. 宿主屏蔽VF驅動

echo "blacklist ixgbevf" >> /etc/modprobe.d/blacklist.conf

表示當物理機啟動時候，默認不加載ixgbevf驅動，但是如果手動modprobe ixgbevf，則也會加載驅動。

如果當前已經加載了ixgbevf，想卸載，則需要如下步驟

echo 0 > /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_numvfs
rmmod ixgbevf
echo 63 > /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_numvfs

附. 包轉發率測試方法

modprobe pktgen：發包通過pktgen來發，收包通過sar -n DEV來看，發的是udp包

#!/bin/bash

NIC="eth2"
DST_IP="192.168.1.2"
DST_MAC="52:54:00:43:99:65"

modprobe pktgen

pg() {
    echo inject > $PGDEV
    cat $PGDEV
}

pgset() {
    local result
    echo $1 > $PGDEV

    result=`cat $PGDEV | fgrep "Result: OK:"`
    if [ "$result" = "" ]; then
         cat $PGDEV | fgrep Result:
    fi
}
# Config Start Here -----------------------------------------------------------

# thread config
# Each CPU has own thread. Two CPU exammple. We add ens7, eth3 respectivly.

PGDEV=/proc/net/pktgen/kpktgend_0
echo "Removing all devices"
pgset "rem_device_all"
echo "Adding ${NIC}"
pgset "add_device ${NIC}"

# device config
# delay 0 means maximum speed.

CLONE_SKB="clone_skb 1000000"
# NIC adds 4 bytes CRC
PKT_SIZE="pkt_size 64"

# COUNT 0 means forever
COUNT="count 0"
DELAY="delay 0"

PGDEV=/proc/net/pktgen/${NIC}
echo "Configuring $PGDEV"
pgset "$COUNT"
pgset "$CLONE_SKB"
pgset "$PKT_SIZE"
pgset "$DELAY"
pgset "dst ${DST_IP}"
pgset "dst_mac ${DST_MAC}"

# Time to run
PGDEV=/proc/net/pktgen/pgctrl

echo "Running... ctrl^C to stop"
pgset "start"
echo "Done"

# Result can be vieved in /proc/net/pktgen/eth[3,4]

? 將腳本開頭的eth2改為發包對應的網卡
? 將腳本開頭的192.168.1.2改為目標ip
? 將腳本開頭的52:54:00:43:99:65改為目標mac

pktgen-dpdk

# 固定ip固定mac
set 0 dst ip 192.168.10.240
set 0 src ip 192.168.10.245/24
set 0 dst mac c8:1f:66:d7:58:ba
set 0 src mac a0:36:9f:ec:4a:28

# 可變source ip可變source mac
stop 0
range 0 src ip 192.168.0.1 192.168.0.1 192.168.200.200 0.0.0.1
range 0 dst ip 10.1.1.241 10.1.1.241 10.1.1.241 0.0.0.0
range 0 dst mac c8:1f:66:d7:58:ba c8:1f:66:d7:58:ba c8:1f:66:d7:58:ba 00:00:00:00:00:00
range 0 src mac a0:36:9f:ec:4a:28 a0:36:9f:ec:4a:28 a0:36:9f:ec:ff:ff 00:00:00:00:01:01
range 0 src port 100 100 65530 1
range 0 dst port 100 100 65530 1
range 0 size 64 64 64 0
enable 0 range
enable 0 latency
start 0

# 按50%的速率發包
set 0 rate 50

附. 參考文檔

# openstack關于sriov的限制
https://docs.openstack.org/mitaka/networking-guide/config-sriov.html

# 遷移
https://wenku.baidu.com/view/d949db67998fcc22bcd10dfd.html
https://www.chenyudong.com/archives/live-migrate-with-pci-pass-through-fail-with-libvirt-and-qemu.html

# sriov配置
https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/6/html/virtualization_host_configuration_and_guest_installation_guide/sect-virtualization_host_configuration_and_guest_installation_guide-sr_iov-how_sr_iov_libvirt_works

# 線速
http://netoptimizer.blogspot.tw/2014/05/the-calculations-10gbits-wirespeed.html