基于KVM的SRIOV直通配置及性能测试

发表于:2019-11-11 10:57  作者:小慢哥   来源:博客园

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  1. SRIOV介绍
  传统方式的瓶颈:qemu的网卡,传统方式是使用tap网卡,桥接到宿主的bridge上,但性能很差,尤其是包转发率很低,难以满足对性能要求比较高的场景。性能差的主要原因是路径太长,经过的内核设备太多,根本原因在于linux/unix内核本身就不是为高性能而设计的,linux/unix更适合做控制平面,而不是转发平面。
  解决思路:减少中间路径,最简单有效的方法就是bypass内核。SRIOV的作用就是bypass宿主内核。
  PF和VF:每个物理网卡(比如p1p1)就是一个PF,在开启SRIOV后,每个PF可以生成固定数量的VF,每个VF都可以在宿主上作为一张网卡直接使用,或者直通到QEMU虚拟机里作为虚拟机里的网卡使用,这就实现了bypass宿主内核。
  先给出性能测试的结论,SRIOV VF直通相比传统tap+bridge方案,性能提升:
  发包转发率提高: 677%
  收包转发率提高: 171%
  2. 环境说明
  机型:Dell PowerEdge R620
  网卡:Intel X520(82599ES)
  宿主OS:CentOS 7
  VM OS:CentOS 7
  3. 开启SRIOV
  1在BIOS里开启SRIOV,如图所示
  注:即使BIOS里开启全局SRIOV,网卡也依然可以当作普通网卡使用
  2需要在BIOS里开启VT-d
  3grub配置iommu
  iommu=pt intel_iommu=on
  4. 生成VF
   # 启动网卡
  ip link set p1p1 up
  # 查看pf的pci编号
  lshw -c network -businfo
  # 查看网卡支持的vf数量
  cat /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_totalvfs
  # 生成vf,建议加入开机启动
  echo 63 > /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_numvfs
  注意:若没有屏蔽宿主的VF驱动,则在生成vf后还必须等待一会时间才能在宿主上看到所有命名完成的网卡(否则会看到一堆ethX网卡),vf数量越多需要等待时间越长,63个vf,差不多需要10秒
  5. VF直通
  如果qemu是通过libvirt管理的,有3种配置方法:
  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>
  上面中address的地址,可以根据“lshw -c network -businfo”来配置,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>
  上面中address的地址,也是根据“lshw -c network -businfo”来配置
  方法3(net-pool)
  为每个PF网卡定义一个net-pool,即分别编辑一个xml文件。这里仅展示一个PF,编辑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、并设置开机启动
   virsh net-define sriov-int.xml
  virsh net-start sriov-int
  virsh net-autostart sriov-int
  虽然配置了net-autostart,但并不管用,因为物理机启动时候,经常会在启动生成vf(假设在rc.local里生成vf)之前就启动libvirt,而这个net-pool(sriov-int)本应该在vf生成后才能启动,因此建议在rc.local里增加如下内容来确保启动
  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种方法如何选择
  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命令设置
  方法3:有2个问题
  存在一个bug,当本宿主所有vm使用某个PF的VF总数超过VF上限后,不会报错,也能启动,但是可能会有异常,并且vm如果被destroy关机,那么对应的VF就会出问题,比如使用ip link set p1p1 vf 0 mac 00:00:00:00:00:00来做重置时候,会提示“RTNETLINK answers: Cannot allocate memory”,而且难以修复,即使修复,也不知道有没有看不见的异常存在。
  没有办法知道某个vm使用的是哪个vf,因此如果要对vf设置限速或者开关spoofchk时候,只能先在宿主上通过“ip link show dev p1p1 | grep MAC地址”方式来获得vf号,然后才能设置限速等操作
  综上所述:使用方法3最便捷,但是存在bug,因此需要做好逻辑来防止vm使用vf总数超过上限的情况。
  6. 开启irqbalance
  x520是2队列,x710是4队列,需要在vm里启动中断平衡服务(irqbalance),否则只会有一个cpu来处理数据包。
  另外,这与宿主上vf的query_rss无关。
  7. VM迁移
  直通网卡属于PCI设备,而libvirt和qemu却不支持带有非USB的PCI设备的vm做迁移,包括冷迁移和热迁移。因此热迁移无法实现。
  冷迁移,有2种方案:
  detach掉vf网卡,然后使用libvirt做迁移,迁移过去后,再在新宿主上attach vf网卡
  undefine vm,然后在新宿主上重新渲染并define vm
  注意:不能在vm关机时候用libvirt的迁移功能,有时候会导致虚拟机消失掉,包括原宿主和新宿主
  8. 带宽限速
  只能限制出站带宽,无法限制入站带宽
 ip link set p1p1 vf 0 max_tx_rate 100
  表示出站带宽限速100Mbps,不同网卡有差别:
  x520网卡最小限速11Mbps,最大限速10000Mbps,设为0表示不限速。若小于11或大于10000则会报错
  x710网卡最小限速50Mbps,最大限速10000Mbps,设为0表示不限速。若小于50则自动设为50,若大于10000则会报错
  注意:vm关机后vf的带宽限速不会复位
  9. 安全
  仅支持源mac过滤和网卡mac防篡改,不支持其他安全防护(防arp欺骗就无法实现)
  源mac过滤
 ip link set p1p1 vf 0 spoofchk on
  表示vm里发出的包,如果源mac不是指定mac,那么数据包不允许通过。注意:vm关机后vf的spoofchk不会复位
  网卡mac防篡改
  在宿主上修改mac,vm里的mac不会跟着改;在vm里修改mac,在宿主上可以看到变化
  如果在vm关机状态下改了mac地址,那么当vm开机后会改为vm的mac,当vm又关机后,又回改为原先改的mac
  只有在宿主上看到的当前vf的mac为全0,才能在vm里修改mac地址,即使vf的spoofchk为off。但有一种例外,若使用上面方法2来配置xml,虽然宿主上看到的vf的mac不为0,但vm里可以修改
  当在宿主上设置了mac后,虚拟机里的mac就无法篡改了
  方法1(interface)来配置xml,估计vm启动时候就自动帮忙在宿主上设置了mac,所以就直接实现了防篡改功能
  方法2(hostdev)来配置xml,需要在宿主上手动再设置一次mac地址才能实现防篡改
  在宿主上手动修改mac方法(vm关机和开机情况下都可以改):
 ip link set p1p1 vf 0 mac aa:bb:cc:dd:ee:ff
  建议:
  在vm启动前对vf做一次重置
  在vm undefine后对vf做一次重置
  10. 其他使用限制
  直通到vm里的vf网卡里无法桥接到vm里的linux bridge,这也导致ebtables无法使用,iptables可以使用
  直通到vm里的vf网卡可以加入ovs桥接
  一个vm最多只能支持32个vf,超过数量会报错
  11. 性能测试
  测试方法:
  多台vm同时发包,一台vm收包,分别观察发包性能和收包性能
  发包vm在同一台宿主上,收包vm在另一台宿主上
  测试工具:modprobe pktgen
  测试包大小: udp包,size为64 bytes
  配置:
  vm配置均为4核8G
  物理网卡均为x520(vf队列默认为2)
  宿主和vm均开启irqbalance、均关闭numad
  不配置cpu绑定、不配置numa绑定
  开启大页
  测试结果:
  测试结论:
  使用SR-IOV+VF直通方式可以明显提升包转发率,1对1的测试结果看到kernel态发包可以达到3.5Mpps,收包可以达到1.9Mpps
  发包比vxlan提高: 1196%,比vlan提高: 677%。此结果参考1对1(1个发包vm,1个收包vm)
  收包比vxlan提高: 363%,比vlan提高: 171%。此结果参考3对1(3个发包vm,1个收包vm)
  说明:
  kernel态单核数据包(64B)处理能力为2Mpps
  2Mpps是因为kernel态瓶颈是2Mpps,如果通过dpdk走用户态,则可以大于2M,原因:收包端要将数据包中断平衡到不同的cpu上,方法:可以通过多队列方式,把每个队列分配到单独cpu上(irqbalance会自动均衡),然后source ip不一样,就会对应到不同队列,也就是不同的中断上。即1个VF,2个队列,VM有至少2核,那么当符合负载均衡条件(mac、ip不同),则理论上最大可以达到4Mpps
  更多测试结果:
  以下测试使用的packet大小为64B
  kernel态,3层转发性能:发包器使用不同的source ip
  BCM57800:2Mpps
  Intel X520:10Mpps
  Intel X710:12Mpps
  kernel态,2层转发性能:发包器使用不同的source mac
  BCM57800:2Mpps
  Intel X520:7.3Mpps
  Intel X710:7.8Mpps
  kernel态下vxlan封装能力
  vxlan内层使用不同的source ip发包
  收包在:1.1-1.2Mpps
  dpdk用户态,2层转发性能:发包器使用不同的source ip
  BCM57800:不支持
  Intel X520:14.8Mpps
  Intel X710:14.8Mpps
  SR-IOV模式
  X520总量11.2Mpps,每vm为11.2Mpps/vm总数(即VF数)
  总结:
  kernel态下的中断平衡的依据因素:2层依据source mac,3层依据source ip
  kernel态下使用传统中断模式的单核转发能力极限2Mpps
  注意:
  kernel态下,利用多队列RSS中断平衡提升吞吐率,会导致cpu非常高
  用户态下即使source mac或source ip固定,吞吐率基本接近限速14.8Mpps
  vxlan不能利用多核来提升吞吐,主要原因为外层source ip不够多
  12. windows虚拟机使用VF
  到网卡官网下载对应驱动并安装,经测试,win2012默认就有82599(x520)驱动,但版本旧
  13. 运维命令
   # 查看网卡支持的vf数量
  cat /sys/bus/pci/devices/0000:41:00.0/sriov_totalvfs
  # 宿主屏蔽VF驱动后查看vf和pf的对应
  https://github.com/intel/SDN-NFV-Hands-on-Samples/blob/master/SR-IOV_Network_Virtual_Functions_in_KVM/listvfs_by_pf.sh
  载下来后执行./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
  # 查看网卡对应哪个socket
  lstopo-no-graphics
  # lspci查看网卡信息
  lspci -Dvmm|grep -B 1 -A 4 Ethernet
  # 宿主上查看具体VF流量(仅支持x520,x710查不到)
  ethtool -S p1p1 | grep VF
  14. 宿主屏蔽VF驱动
 echo "blacklist ixgbevf" >> /etc/modprobe.d/blacklist.conf
  表示当物理机启动时候,默认不加载ixgbevf驱动,但是如果手动modprobe ixgbevf,则也会加载驱动。
  如果当前已经加载了ixgbevf,想卸载,则需要如下步骤
   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. 包转发率测试方法
  modprobe pktgen:发包通过pktgen来发,收包通过sar -n DEV来看,发的是udp包
   #!/bin/bash
  NIC="eth1"
  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, eth2 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]
  将脚本开头的eth1改为发包对应的网卡
  将脚本开头的192.168.1.2改为目标ip
  将脚本开头的52:54:00:43:99:65改为目标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
  # 可变source ip可变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%的速率发包
  set 0 rate 50
  附. 参考文档
   # openstack关于sriov的限制
  https://docs.openstack.org/mitaka/networking-guide/config-sriov.html
  # 迁移
  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
  # 线速
  http://netoptimizer.blogspot.tw/2014/05/the-calculations-10gbits-wirespeed.html

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