CN106936739B - 一种报文转发方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种报文转发方法及装置，其中该方法适用于NFV设备的NUMA节点，NUMA节点包括一个转发组，该转发组包括接收核和转发核，该方法包括：接收核从入接口读取报文，该入接口是接收核所在的转发组对应的接口；接收核将读取的报文发送至转发组中的转发核；转发核将报文发送至对应的出接口。本申请减少了跨内存访问的出现，提高了系统吞吐能力。

Description

一种报文转发方法及装置
技术领域
本申请涉及网络技术，特别涉及一种报文转发方法及装置。
背景技术
为了避免传统的SMP(Symmetric Multi-Processing，对称多处理)系统中所有处理器通过共享系统总线访问同一内存的冲突问题，当前的NFV(Network FunctionVirtualization，网络功能虚拟化)设备可以采用一种NUMA(Non-Uniform MemoryArchitecture，非统一内存架构)模式。NUMA是一种分布式存储器访问方式，在NUMA架构中可以包括多个NUMA节点，即NUMA-NODE，每个节点被分配本地存储器空间即本地内存。每个NUMA节点包括多个处理核，在NUMA架构中这些处理核被划分为控制核、接收核和转发核，并且转发核分布于多个NUMA节点内，接收核可以将报文转发至任何一个NUMA节点中的转发核。
接收核接收报文时，使用该接收核所在的NUMA节点的本地内存，但是，当接收核将报文转发至另一个NUMA节点中的转发核时，转发核对报文的读取将进行对非本地内存的访问，即跨内存访问，这样将会增大开销、降低转发效率。随着NUMA节点数量的增加，跨内存访问的出现概率也相应变大，严重降低NFV设备的吞吐性能。
发明内容
本申请提供一种报文转发方法及装置，以在NUMA模式下减少跨内存访问的出现，提高系统吞吐能力。
具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：
第一方面，提供一种报文转发方法，该方法适用于NFV设备的NUMA节点，所述NUMA节点包括一个转发组，所述转发组包括接收核和转发核，所述方法包括：
所述接收核从入接口读取报文，所述入接口是所述接收核所在的所述转发组对应的接口；
所述接收核将读取的所述报文发送至所述转发组中的转发核；
所述转发核将所述报文发送至对应的出接口。
在一个例子中，在所述接收核从入接口读取报文之前，还包括：所述NFV设备中的首个处理核，为NUMA节点创建转发组，所述转发组包括所述NUMA节点的所有处理核；所述首个处理核将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核；所述首个处理核为所述转发组配置对应的接口。
在一个例子中，所述首个处理核将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核，包括：所述首个处理核将自身配置为控制核；若所述转发组不包括所述控制核，则所述控制核按照预设规则选择至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核；若所述转发组包括所述控制核，则所述控制核按照预设规则将所述转发组中除自身以外的至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。
在一个例子中，所述为所述转发组配置对应的接口，包括：所述控制核识别网卡所在的所述NUMA节点，将所述网卡的接口分配至所述NUMA节点对应的转发组。
在一个例子中，所述为所述转发组配置对应的接口，包括：所述控制核根据接口配置命令将接口分配至指定的所述转发组。
第二方面，提供一种报文转发装置，包括：
接收核，用于从入接口读取报文，所述入接口是所述接收核所在的转发组对应的接口，并将读取的所述报文发送至所述转发组中的转发核，NFV设备的一个NUMA节点包括一个所述转发组；
转发核，用于将所述报文发送至对应的出接口。
在一个例子中，所述装置还包括：控制核，所述控制核为所述NFV设备的首个处理核，所述控制核用于：为所述NUMA节点创建所述转发组，所述转发组包括所述NUMA节点的所有处理核；将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核；为所述转发组配置对应的接口。
在一个例子中，所述控制核用于：将自身配置为控制核；若所述转发组不包括所述控制核，则按照预设规则选择至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核；若所述转发组包括所述控制核，则按照预设规则将所述转发组中除自身以外的至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。
在一个例子中，所述控制核，用于识别网卡所在的NUMA节点，将所述网卡的接口分配至所述NUMA节点对应的转发组。
在一个例子中，所述控制核，用于根据接口配置命令将接口分配至指定的所述转发组。
本申请实施例的报文转发方法及装置，通过分别为每个NUMA节点创建一个转发组，使得在一个NUMA节点内既包括接收核又包括转发核，并且，接收核在将报文向转发核发送时，选择同在一个转发组的转发核发送，这样接收核和转发核都可以利用所在NUMA节点的本地内存进行处理，减少了跨内存访问的出现，提高了系统吞吐能力。
附图说明
图1是现有技术中的NUMA系统架构图；
图2是本申请一个例子中的NFV设备的结构示意图；
图3是本申请一个例子中的一种报文转发方法的流程图。
具体实施方式
NUMA是一种分布式存储器访问模式，在该NUMA架构中，可以包括多个NUMA节点，即NUMA-NODE，每个节点被分配有本地内存，以使得节点在处理数据时使用本地内存，提高处理速度。由于NUMA模式相对于传统的SMP模式，能有效的减少访问冲突，较为广泛的应用于NFV设备、特别是各种服务器上。
图1示例了NUMA模式的系统结构，如图1所示，示例了两个NUMA节点，包括NUMA-NODE 11和NUMA-NODE 12。每个NUMA节点都有自己的本地内存，例如，NUMA-NODE 11的本地内存13，NUMA-NODE 12的本地内存14。在每个NUMA节点中，包括多个处理核15，即core。
如图1所示，示例了分布在上述两个NUMA节点周边的八个NIC(NetworkInterfaceCard，网卡)，分别为NIC 1至NIC8，这些NIC都可以与NUMA节点连接，NIC接收的网络报文可以通过其连接的NUMA节点进行转发。
图1还示例了通过NUMA节点中的接收核和转发核配合完成的报文转发路径，例如，一条转发路径是，Data-Rx 0读取网卡NIC2接收到的报文，并将报文发送至Data-Fwd 7，再由Data-Fwd 7将报文发送至NIC8转发出去。又例如，另一条转发路径是，Data-Rx 1读取网卡NIC3接收到的报文，并将报文发送至Data-Fwd 1，再由Data-Fwd 1将报文发送至NIC6转发出去。
图1示例的是一种传统方式中的NUMA架构中的处理核角色分布，可以看到，两个接收核Data-Rx 0和Data-Rx 1都位于NUMA-NODE 11中，其他的处理核都是转发核，部分转发核分布在NUMA-NODE 11，部分转发核分布在NUMA-NODE 12。并且，各个处理核的地位是平等的，例如，九个转发核Data-Fwd 0至Data-Fwd 8是平等地位的转发核，对于接收核Data-Rx0或Data-Rx 1接收到的报文，可以发送至Data-Fwd 0至Data-Fwd 8中的任何一个。例如，NUMA-NODE 11上的Data-Rx0从NIC2中接收到报文后，可以将报文发送至给NUMA-NODE 12上的Data-Fwd7处理，而Data-Fwd7与Data-Rx0并不位于同一个NUMA节点。
这种方式的问题是，当Data-Rx0接收报文时，Data-Rx0使用本地内存将报文的数据存储在NUMA-NODE 11的本地内存13中，而当将报文向Data-Fwd7转发时，Data-Fwd7将报文从本地内存13中取走，使用的不是Data-Fwd7所在的NUMA-NODE 12的本地内存14，这是跨NUMA节点的访问即跨内存访问，从而降低转发效率。
为了尽可能的减少跨内存访问的出现，提高转发效率，本申请实施例提供了一种报文转发方法。在该方法中，对于某个报文的转发过程，接收核和转发核限定在一个NUMA节点中，使得报文的接收和转发使用同一个本地内存。例如，在图1的例子中，如果Data-Rx0接收的报文是发送至Data-Fwd2，那么这两个处理核都使用本地内存13就可以完成对报文的转发。基于此，本申请的报文转发方法将重新配置各个处理核在报文转发过程中的角色和处理过程，以实现在同一个NUMA节点完成报文转发。
初始化配置
该初始化配置过程即对NUMA架构中的各个NUMA节点、以及NUMA节点中的各个处理核进行重新设置的操作，该初始化配置过程可以由NFV设备中的首个处理核执行。在一个NFV设备中所有的处理核统一编号，可以将编号最小的作为首个处理核执行初始化配置，在初始化配置过程中，该首个处理核会将自身配置为控制核。例如，对于图2的例子来说，示例了其中的两个NUMA-NODE，各个NUMA-NODE之间可以通过QPI(QuickPath Interconnect，快速通道互联)总线连接，图2中共有12个处理核，编号为0至11，则第0个处理核即为控制核。
该初始化配置包括如下几个方面的配置：
转发组的创建：假设某个NFV设备采用了NUMA架构，包括多个NUMA节点NUMA-NODE，且每个NUMA-NODE中包括多个处理核，常见的每个NUMA节点中的处理核数量可以是2/4/6/8个。
可以遍历所有的NUMA节点，为每个NUMA节点创建一个对应的转发组(ForwardingGroup)，即该NUMA节点中的所有core组成了一个转发组。该转发组能够独立完成对报文的转发，即通过该转发组内部的处理核就可以实现报文转发，不需要使用其他转发组(即其他NUMA节点)中的处理核。请结合参见图2，可以为两个NUMA-NODE分别创建一个转发组，即转发组21和转发组22。
转发组内的处理核的角色设定：
对于每个转发组，遍历该转发组中的所有处理核，分别配置每个处理核为接收核或者转发核。例如，每个转发组可以设置一个接收核，其余处理核为转发核。当转发组中的处理核的数量较多时，也可以设置两个接收核或更多，以减轻报文转发的压力。对于其中一个转发组，在接收核和转发核之外，还设置控制核control，比如，在转发组21中还包括控制核。
对转发组中的处理核角色的设定，例如：
首个处理核将自身配置为控制核；
如果转发组不包括控制核，则控制核按照预设规则选择至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。例如，可以将转发组中编号最小的处理核设定为接收核，将其余处理核均设定为转发核。结合图2所示，在转发组22中，不包括控制核control，可以将转发组22中的六个core中编号最小的core设定为接收核Data-Rx 1，将其余core均设定为转发核，共五个转发核Data-Fwd 4至Data-Fwd 8。
如果转发组包括控制核，则控制核按照预设规则将转发组中除自身以外的至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。假设首个NUMA节点包含控制核，则将该转发组中除去控制核之外的所有处理核中编号最小的处理核设定为接收核，并将控制核和接收核之外的其余处理核均设定为转发核。结合图2所示，在转发组21的六个core中，编号最小的core为控制核control，在control之外的另外五个core中，可以将编号最小的core设定为接收核Data-Rx 0，将其余core均设定为转发核，共四个转发核Data-Fwd0至Data-Fwd 3。
在为处理核配置了角色之后，还可以为接收核和转发核分别编号，例如，将所有的接收核统一编号，将所有的转发核统一编号。如果将处理核在NFV设备中的编号作为第一编号，那么，对于所有的接收核统一编号时，可以将所有的接收核按照第一编号排序，并根据该排序重新为接收核统一编号。对于转发核统一编号也可以采取同样的方式。
经过上述配置，在转发组21中，可以包括：控制核control、一个接收核Data-Rx 0、四个转发核Data-Fwd 0至Data-Fwd 3。在转发组22中，可以包括：一个接收核Data-Rx 1、五个转发核Data-Fwd 4至Data-Fwd 8。可以看到，在本例子中，每个转发组内都包括接收核和转发核，这种处理核的角色设定，使得在一个转发组内同时包括接收核和转发核，才使得可以设置接收核在接收到报文后，只将报文发送至所在的转发组内的转发核进行处理。
如果以一个包括四个NUMA-NODE，且每个NUMA-NODE中的处理核的数量为六个的NUMA架构为例，表1示例了该NUMA的资源分布。
表1 NUMA资源分布
NUMA-NODE1 Core0 Core1 Core2 Core3 Core4 Core5
NUMA-NODE2 Core6 Core7 Core8 Core9 Core10 Core11
NUMA-NODE3 Core12 Core13 Core14 Core15 Core16 Core17
NUMA-NODE4 Core18 Core19 Core20 Core21 Core22 Core23
相应地，可以将该NUMA创建转发组以及为转发组中的处理核设定角色，如表2所示，包括四个转发组，每个转发组有一个接收核。
表2转发组的创建
Figure BDA0000896552500000071
转发组对应的接口设定：
在创建了转发组之后，还需要分别为每个转发组配置对应的接口，即该转发组负责转发哪个接口接收的报文，该转发组的接收核可以从该接口读取对应网卡接收到的报文。请结合图2所示，在转发组21和转发组22的周边，设置有NIC 1至NIC 8这八个网卡。
在一个例子中，提供了一种自动为转发组分配接口的方式。例如，网卡通常与某个socket连接，该socket对应一个NUMA-NODE，因此，可以识别网卡所在的NUMA-NODE，并将该网卡的接口分配至该NUMA-NODE对应的转发组，如果某一个接口接收到了报文则由该接口对应的转发组中的接收核读取报文，相应的该接口可以称为入接口。
例如，以图2为例，可以将NIC 2的接口分配至转发组21，将由转发组21读取NIC 2接收的报文进行转发；可以将NIC 3的接口分配至转发组22，将由转发组22读取NIC 3接收的报文进行转发。这种分配接口的方式，可以使得网卡与转发组之间的传输距离较小，损耗降低。
但是，当大多数的网卡的物理位置分布都连接同一个NUMA-NODE时，如果使用上述例子的自动分配接口的方式，将可能导致一个NUMA-NODE转发较多网卡的报文，负载较大，而其他的NUMA-NODE的转发组将闲置，从而制约系统整体的吞吐性能的提高，因此，本申请在另一个例子中，提供了一种命令行方式手动分配接口的方式。
例如，用户可以使用命令行方式输入接口配置命令，通过该命令指定将某个网卡的接口分配给某个NUMA-NODE对应的转发组。这种方式有利于用户根据流量情况动态的调整网卡接口与转发组的对应关系，比如，如果用户发现其中一个转发组转发报文的流量较大，负载较重，可以将该转发组对应的一部分接口分配至其他的转发组，即用户通过接口配置命令将一部分接口从原转发组对应的接口中删除，同时将该删除的接口添加到其他指定的转发组中，建立接口与新的转发组的对应关系。
转发组与接口的对应关系，可以是控制核在为转发组分配对应接口时，记录在某个存储空间，例如某个内存区域；当后续转发报文时，接收核可以根据该存储的转发组与对应的接口，通过这些接口读取网卡接收的报文。
经过上述的初始化配置，已经为NUMA架构中的各个NUMA节点创建了对应的转发组，并且为每个转发组的各个处理核设定了角色，以及设定了转发组对应的接口。接着，NUMA设备中的各个转发组将可以开始进行报文的转发。在转发报文时，各个转发组可以是独立的，各自执行对于某个报文的转发过程，如下以其中一个转发组为例，来描述本申请的报文转发方法，参见图3所示，该报文转发方法可以包括：
在步骤301中，转发组中的接收核由从入接口读取报文，该入接口是接收核所在的转发组对应的接口。
例如，以转发组21为例，结合图2所示的箭头线表示的报文转发路径，该转发组21中的接收核Data-Rx 0由NIC 2的接口读取报文。
本例子中，对于一个转发组来说，该转发组对应的接口的数量可以是多个，比如三个接口、八个接口等。转发组中的接收核可以遍历该转发组对应的所有接口，当接口接收到报文时读取报文。
在步骤302中，转发组中的接收核将读取的报文发送至该转发组中的转发核。
本申请的方案中在选择转发核时与现有技术中选择转发核的实现相同，不同的是，现有技术是在NFV设备的所有转发核中选择，而本申请是在接收核所在的转发组中包含的转发核中选择。例如，转发组21中的接收核Data-Rx0在读取到报文后，将报文发送至Data-Fwd 2。
在步骤303中，转发核将报文发送至对应的出接口。
转发核在接收到报文后，可以根据转发规则将报文继续转发(例如，根据报文的目的地址选择对应的出接口)，从出接口将报文发出。如图2所示，Data-Fwd 2在接收到Data-Rx 0发送的报文后，可以将报文发往NIC 8。
又例如，图2中还通过另一条箭头线示例了另一个报文的转发路径，如图2所示，以转发组22为例，该转发组22同样按照上述的步骤301至步骤303所示的转发方式进行报文的转发。接收核Data-Rx 1读取NIC 3接收到的报文，并将报文发送至与该Data-Rx 1同处于转发组22的Data-Fwd 7，再由Data-Fwd 7将报文从NIC 6发出。
对于使用NUMA系统架构的NFV设备而言，相当于根据NUMA-NODE将该设备的处理器资源划分为相应的多个高效、相对独立的转发组，避免了跨不同NUMA-NODE导致的消耗，使得系统整体吞吐能力得到了很大的提升。此外，本申请实施例中的转发组，可以是虚拟机或者裸金属形态的NFV产品。
本申请还提供了一种报文转发装置，该装置可以应用在NFV设备，该NFV设备可以采用如图2所示的结构。该NFV设备中可以包括多个NUMA节点NUMA-NODE，且每个NUMA-NODE中包括多个处理核。
该NFV设备可以可以通过控制核执行上述例子中的方法进行初始化配置，为NFV设备中的每个NUMA-NODE创建对应的转发组，并设置转发组中的各个处理核为接收核、转发核或者控制核；还可以为各个转发组分配对应的接口，以使得转发组中的接收核从该接口读取报文。
在初始化配置完成后，该NFV设备中就已经形成了多个独立的转发组，各自独立的执行报文的转发处理，而在转发报文时，每个转发组都可以按照上述本申请的报文转发方法中的实施例进行报文的转发处理。例如，接收核在接收到报文时，将报文发送至同一转发组中的转发核，从而尽可能的减少跨内存访问，也使得该NFV设备的转发报文的吞吐性能得到提高。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种报文转发方法，该方法适用于NFV设备包括的每一个NUMA节点，其特征在于，所述NUMA节点包括一个转发组，所述转发组包括接收核和转发核，所述方法包括：
所述接收核从入接口读取报文，所述入接口是所述接收核所在的所述转发组对应的接口；
所述接收核将读取的所述报文发送至所述转发组中的转发核；
所述转发核将所述报文发送至对应的出接口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接收核从入接口读取报文之前，还包括：
所述NFV设备中的首个处理核，为所述NUMA节点创建所述转发组，所述转发组包括所述NUMA节点的所有处理核；
所述首个处理核将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核；
所述首个处理核为所述转发组配置对应的接口。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述首个处理核将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核，包括：
所述首个处理核将自身配置为控制核；
若所述转发组不包括所述控制核，则所述控制核按照预设规则选择至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核；
若所述转发组包括所述控制核，则所述控制核按照预设规则将所述转发组中除自身以外的至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述为所述转发组配置对应的接口，包括：
所述控制核识别网卡所在的所述NUMA节点，将所述网卡的接口分配至所述NUMA节点对应的转发组。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述为所述转发组配置对应的接口，包括：
所述控制核根据接口配置命令将接口分配至指定的所述转发组。
6.一种报文转发装置，其特征在于，包括：
接收核，用于从入接口读取报文，所述入接口是所述接收核所在的转发组对应的接口，并将读取的所述报文发送至所述转发组中的转发核，NFV设备的每一个NUMA节点包括一个所述转发组；
转发核，用于将所述报文发送至对应的出接口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：控制核，所述控制核为所述NFV设备的首个处理核，所述控制核用于：
为所述NUMA节点创建所述转发组，所述转发组包括所述NUMA节点的所有处理核；
将所述转发组中的处理核配置为控制核、接收核或转发核；
为所述转发组配置对应的接口。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制核用于：
将自身配置为控制核；
若所述转发组不包括所述控制核，则按照预设规则选择至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核；
若所述转发组包括所述控制核，则按照预设规则将所述转发组中除自身以外的至少一个处理核配置为接收核，并将剩余的处理核均配置为转发核。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述控制核，用于识别网卡所在的NUMA节点，将所述网卡的接口分配至所述NUMA节点对应的转发组。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述控制核，用于根据接口配置命令将接口分配至指定的所述转发组。
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