基于KVM的SRIOV直通配置及性能测试

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SRIOV介绍、VF直通配置，以及包转发率性能测试

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▪ 1. SRIOV介绍
▪ 2. 环境说明
▪ 3. 开启SRIOV
▪ 4. 生成VF
▪ 5. VF直通
▪ 6. 开启irqbalance
▪ 7. VM迁移
▪ 8. 带宽限速
▪ 9. 安全
▪ 10. 其他使用限制
▪ 11. 性能测试
▪ 12. windows虚拟机使用VF
▪ 13. 运维命令
▪ 14. 宿主屏蔽VF驱动
▪ 附. 包转发率测试方法
▪ 附. 参考文档

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

1️⃣ 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

2️⃣ 需要在BIOS里开启VT-d

3️⃣ grub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<source>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<source>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，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，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=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]

▷ 将脚本开头的eth2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

分享名称：基于KVM的SRIOV直通配置及性能测试
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