Warum den Kernel umgehen?

Der Netzwerk-Stack des Linux-Kernels ist ein Meisterwerk der Ingenieurskunst, das eine Vielzahl von Protokollen und Anwendungsfällen abdeckt. Für einige Hochleistungsanwendungen kann er jedoch überdimensioniert sein. Stellen Sie sich vor, Sie verwenden ein Schweizer Taschenmesser, wenn Sie eigentlich nur einen Laserstrahl benötigen.

Indem wir unseren TCP/IP-Stack in den Userspace verlagern, können wir:

  • Kontextwechsel zwischen Kernel- und Userspace eliminieren
  • Unterbrechungen vermeiden, indem wir Polling verwenden
  • Den Stack an unsere spezifischen Bedürfnisse anpassen
  • Feinere Kontrolle über Speicherzuweisung und Paketverarbeitung haben

DPDK: Der Geschwindigkeitsdämon

Das Data Plane Development Kit (DPDK) ist unsere Geheimwaffe in diesem Leistungswettbewerb. Es handelt sich um eine Sammlung von Bibliotheken und Treibern für schnelle Paketverarbeitung im Userspace. DPDK umgeht den Kernel und bietet direkten Zugriff auf Netzwerkkarten (NICs).

Wichtige DPDK-Funktionen, die wir nutzen werden:

  • Poll Mode Drivers (PMDs): Keine Unterbrechungen mehr!
  • Große Seiten: Für effizientes Speichermanagement
  • NUMA-bewusste Speicherzuweisung: Daten nah an der CPU halten, die sie benötigt
  • Sperrfreie Ringpuffer: Denn Sperren sind so von gestern

Rust: Sicherheit mit Lichtgeschwindigkeit

Warum Rust, fragen Sie? Nun, abgesehen davon, dass es die coolste Programmiersprache ist, bietet Rust:

  • Abstraktionen ohne Kosten: Leistung ohne Lesbarkeit zu opfern
  • Speichersicherheit ohne Garbage Collection: Keine unerwarteten Pausen
  • Furchtlose Nebenläufigkeit: Weil wir alle Kerne brauchen, die wir bekommen können
  • Ein wachsendes Ökosystem von Netzwerk-Crates: Auf den Schultern von Giganten stehen

Der Bauplan: Unseren Stack aufbauen

Teilen wir unseren Ansatz in handhabbare Teile auf:

1. DPDK einrichten

Zuerst müssen wir DPDK einrichten. Dazu gehört das Kompilieren von DPDK, das Konfigurieren großer Seiten und das Binden unserer NICs an DPDK-kompatible Treiber.


# Abhängigkeiten installieren
sudo apt-get install -y build-essential libnuma-dev

# DPDK klonen und kompilieren
git clone https://github.com/DPDK/dpdk.git
cd dpdk
meson build
ninja -C build
sudo ninja -C build install

2. Rust und DPDK: Ein himmlisches Paar

Wir verwenden das rust-dpdk Crate, um von Rust aus mit DPDK zu interagieren. Fügen Sie dies zu Ihrer Cargo.toml hinzu:


[dependencies]
rust-dpdk = "0.2"

3. DPDK in Rust initialisieren

Bringen wir DPDK zum Laufen:


use rust_dpdk::*;

fn main() {
    // EAL (Environment Abstraction Layer) initialisieren
    let eal_args = vec![
        "hello_dpdk".to_string(),
        "-l".to_string(),
        "0-3".to_string(),
        "-n".to_string(),
        "4".to_string(),
    ];
    dpdk_init(eal_args).expect("Fehler bei der Initialisierung von DPDK");

    // Rest des Codes...
}

4. Den TCP/IP-Stack implementieren

Jetzt kommt der spaßige Teil! Wir implementieren einen einfachen TCP/IP-Stack. Hier ist eine Übersicht:

  • Ethernet-Frame-Verarbeitung
  • IP-Paketverarbeitung
  • TCP-Segmentverwaltung
  • Verbindungszustandsverfolgung

Sehen wir uns eine vereinfachte TCP-Header-Parsing-Funktion an:


struct TcpHeader {
    src_port: u16,
    dst_port: u16,
    seq_num: u32,
    ack_num: u32,
    // ... andere Felder
}

fn parse_tcp_header(packet: &[u8]) -> Result {
    if packet.len() < 20 {
        return Err(ParseError::PacketTooShort);
    }

    Ok(TcpHeader {
        src_port: u16::from_be_bytes([packet[0], packet[1]]),
        dst_port: u16::from_be_bytes([packet[2], packet[3]]),
        seq_num: u32::from_be_bytes([packet[4], packet[5], packet[6], packet[7]]),
        ack_num: u32::from_be_bytes([packet[8], packet[9], packet[10], packet[11]]),
        // ... andere Felder parsen
    })
}

5. Sperrfreie Ringpuffer nutzen

Die Ringpuffer von DPDK sind ein Schlüsselelement für hohe Leistung. Wir verwenden sie, um Pakete zwischen verschiedenen Stufen unserer Verarbeitungspipeline zu übergeben:


use rust_dpdk::rte_ring::*;

// Einen Ringpuffer erstellen
let ring = rte_ring_create("packet_ring", 1024, SOCKET_ID_ANY, 0)
    .expect("Fehler beim Erstellen des Rings");

// Ein Paket einreihen
let mut packet: *mut rte_mbuf = /* ... */;
rte_ring_enqueue(ring, packet as *mut c_void);

// Ein Paket ausreihen
let mut packet: *mut rte_mbuf = std::ptr::null_mut();
rte_ring_dequeue(ring, &mut packet as *mut *mut c_void);

6. Poll-Mode-Magie

Anstatt auf Unterbrechungen zu warten, werden wir kontinuierlich nach neuen Paketen suchen:


use rust_dpdk::rte_eth_rx_burst;

fn poll_for_packets(port_id: u16, queue_id: u16) {
    let mut rx_pkts: [*mut rte_mbuf; 32] = [std::ptr::null_mut(); 32];
    loop {
        let nb_rx = unsafe {
            rte_eth_rx_burst(port_id, queue_id, rx_pkts.as_mut_ptr(), rx_pkts.len() as u16)
        };
        for i in 0..nb_rx {
            process_packet(rx_pkts[i as usize]);
        }
    }
}

Leistungsoptimierung: Das Bedürfnis nach Geschwindigkeit

Um die angestrebten 10M+ PPS zu erreichen, müssen wir jeden Aspekt unseres Stacks optimieren:

  • Mehrere Kerne nutzen und eine geeignete Arbeitsverteilungsstrategie implementieren
  • Cache-Misses minimieren, indem Datenstrukturen ausgerichtet werden
  • Paketverarbeitung stapeln, um Funktionsaufruf-Overhead zu amortisieren
  • Zero-Copy-Operationen implementieren, wo immer möglich
  • Hot Paths unermüdlich profilieren und optimieren

Potenzielle Fallstricke: Hier lauern Drachen

Bevor Sie Ihren gesamten Netzwerk-Stack neu schreiben, sollten Sie diese potenziellen Probleme berücksichtigen:

  • Erhöhte Komplexität: Debugging von Userspace-Netzwerken kann herausfordernd sein
  • Begrenzte Protokollunterstützung: Möglicherweise müssen Sie Protokolle von Grund auf neu implementieren
  • Sicherheitsüberlegungen: Mit großer Macht kommt große Verantwortung (und potenzielle Schwachstellen)
  • Portabilität: Ihre Lösung könnte an spezifische Hardware oder DPDK-Versionen gebunden sein

Das Ziel: Hat es sich gelohnt?

Nach all dieser Arbeit fragen Sie sich vielleicht, ob es den Aufwand wert war. Die Antwort, wie immer in der Softwareentwicklung, lautet "es kommt darauf an". Wenn Sie eine Hochfrequenzhandelsplattform, ein Netzwerkgerät oder ein System entwickeln, bei dem Nanosekunden zählen, dann auf jeden Fall! Sie haben gerade ein neues Leistungsniveau freigeschaltet, das zuvor unerreichbar war.

Andererseits, wenn Sie eine typische Webanwendung entwickeln, könnte dies übertrieben sein. Denken Sie daran, dass vorzeitige Optimierung die Wurzel allen Übels ist (oder zumindest ein bedeutender Zweig an diesem Baum).

Was haben wir gelernt?

Fassen wir die wichtigsten Erkenntnisse unserer Reise in die Tiefen der Userspace-Netzwerke zusammen:

  • Das Umgehen des Kernels kann für spezialisierte Anwendungsfälle erhebliche Leistungsgewinne bringen
  • DPDK bietet leistungsstarke Werkzeuge für die Hochleistungspaketverarbeitung
  • Rusts Sicherheitsgarantien und Abstraktionen ohne Kosten machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für Systemprogrammierung
  • Um 10M+ PPS zu erreichen, ist eine sorgfältige Optimierung auf jeder Ebene des Stacks erforderlich
  • Mit großer Macht kommt große Verantwortung – Userspace-Netzwerke sind nicht für jede Anwendung geeignet

Denkanstöße

Zum Abschluss hier einige Fragen zum Nachdenken:

  • Wie könnte sich dieser Ansatz mit dem Aufkommen von Technologien wie eBPF ändern?
  • Könnte KI/ML verwendet werden, um Paketverarbeitungspfade dynamisch zu optimieren?
  • Welche anderen Bereiche der Systemprogrammierung könnten von diesem Userspace-Ansatz profitieren?

Denken Sie daran, in der Welt der Hochleistungsnetzwerke ist die einzige Grenze Ihre Vorstellungskraft (und vielleicht die Lichtgeschwindigkeit, aber daran arbeiten wir auch). Gehen Sie nun hinaus und verarbeiten Sie diese Pakete mit irrsinniger Geschwindigkeit!

"Das Internet? Gibt es das immer noch?" - Homer Simpson

P.S. Wenn Sie es bis hierher geschafft haben, herzlichen Glückwunsch! Sie sind jetzt offiziell ein Netzwerk-Nerd. Tragen Sie dieses Abzeichen mit Stolz, und mögen Ihre Pakete immer ihr Ziel erreichen!