基于KVM的SRIOV直通配置及性能测试
SRIOV介绍、VF直通配置，以及包转发率性能测试
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目录
▪ 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>
上面中address的地址，可以根据“lshw -c network -businfo”来配置，比如
aaa@qq.com: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、**、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