如何將Linux打造成OpenFlow Switch：Lagopus

上次介紹的部份是利用 openvswitch 來打造 OpenFlow switch，這也是大部份目前市面上買的到的 OpenFlow switch 所使用的軟體。問題是，它的傳輸效率不太好，畢竟它是透過 Linux kernel 來處理 Flow Entry。有人可能會說：「不會啊，我買的 switch 傳輸速度沒有問題啊，幾乎都可以達到 line rate」，OK，這是因為這些市面上賣的 switch 大部份都移植 Flow Entry 到處理程序到硬體平台上（像是 Broadcom 的晶片），所以傳輸速度當然不差，可是！很多 OpenFlow 的功能就不支援了，畢竟那些晶片本來就沒有提供這些功能啊（通常是Set Field）。我們可以將目前 OpenFlow switch 的狀況大概整理如下：

  1. Software-based OpenFlow switch
    功能支援度高，容易升級，但傳輸速度慢
  2. Hardware-based OpenFlow switch
    傳輸速度快，但功能並不完善
有沒有能夠兼顧兩者的設備呢？今天要介紹的這套 Lagopus 就是一個可能的選項。Lagopus 是 NTT 所開發的 Software OpenFlow switch。Software？那傳輸速率呢？為了解決這個問題，Lagopus 採用了 Intel 所推出的 Data Plane Development Kit (DPDK) 技術。下面我們就先來介紹什麼是 DPDK。

DPDK簡介

DPDK 這個技術的概念可以用下圖來表達：
DPDK（資料來源：Intel）
這張圖說明了 Intel 的 DPDK 技術是如何加速封包的處理。大概解釋一下。傳統 Linux 封包處理流程，是硬體收到封包後觸發 interrupt 後導到 Linux Kernel，如果還要進入 user space，就要通過 copy_to_user/copy_from_user 這樣的機制，而這會牽扯到記憶體拷貝的問題，這是因為不能讓 user space 直接讀到 kernel space 的記憶體管理，免得造成系統錯誤，所以作業系統會用一塊虛擬化的記憶體位置來給 user space 的 process，而這種記憶體保護機制以及拷貝很吃系統資源，這也是為什麼傳統上在處理 Linux 的 Data Plane 的時候都盡可能在 Kernel 處理，減少 user space 和 kernel space 記憶體拷貝所造成效率低下。而從這個圖來看，應該可以發現封包根本不通過 Linux Kernel　就直接打到 user space，因此可以有比較好的效能。怎麼做的？不知道，但因為 DPDK 技術必須要使用 Intel 的 CPU 以及網卡，所以我猜 Intel 有可能直接讓網卡發出的 interrupt 直接用記憶體映射到 CPU 裏面然後偷渡到 user space（以上純屬猜測，目前還沒空去研究）。

總結一下， Lagopus 是一套 Software OpenFlow switch，使用 Intel DPDK 的技術來加速封包處理。這也意味著兩件事情：第1，你非要使用 Intel 的 CPU 和網卡不可。第2，封包的處理是在 user space（這對程式設計師來說是優點）。

安裝 Lagopus

現在來看看怎麼安裝 Lagopus，主要參考內容是 Lagopus 的 Quickstart.md，作業系統是 ubuntu。收先要先安裝 DPDK。

$ sudo apt-get install make coreutils gcc binutils
$ sudo apt-get install linux-headers-`uname -r`
$ wget https://downloads.sourceforge.net/project/lagopus/Intel-DPDK/DPDK-1.6.0-18.zip
$ unzip DPDK-1.6.0-18.zip
$ export RTE_SDK="/home/user/DPDK-1.6.0"
$ export RTE_TARGET="x86_64-default-linuxapp-gcc"
$ make config T=${RTE_TARGET}
$ make install T=${RTE_TARGET}

應該算是很好明白，所以就不多做解釋了。不過安裝完以後還要設定 hugepages。首先去編輯 /etc/default/grub，設定如下：

GRUB_CMDLINE_LINUX="" --> GRUB_CMDLINE_LINUX="hugepages=1024"

然後使用 hugepages。

$ sudo update-grub
$ sudo mkdir -p /mnt/huge
$ sudo joe /etc/fstab
    nodev /mnt/huge hugetlbfs defaults 0 0
$ sudo reboot

接下來就輪到 Lagopus 了。安裝步驟如下：

# sudo apt-get install unzip build-essential libexpat1-dev libgmp-dev libncurses5-dev libssl-dev libpcap-dev byacc flex libreadline-dev python-dev python-pastedeploy python-paste python-twisted git python-setuptools python-pip python-dev libxml2-dev libxslt1-dev
$ export RTE_SDK="/home/user/DPDK-1.6.0"
$ export RTE_TARGET="x86_64-default-linuxapp-gcc"
$ git clone https://github.com/lagopus/lagopus.git
$ cd lagopus
$ ./configure --with-dpdk-dir=${RTE_SDK}
$ make
$ sudo make install

上面的安裝也很直覺，就不多做解釋了。可能有人會看這篇文章，也會按照這篇文章進行操作，但請注意文章是有時間性的，新版的不見得能順利操作。

設定並操作 Lagopus

安裝好以後就要開始用了。 首先要先載入 DPDK Kernel Module 並把網卡只派去使用 DPDK 的機制。


$ sudo modprobe uio
$ sudo insmod ${RTE_SDK}/${RTE_TARGET}/kmod/igb_uio.ko
$ sudo insmod ${RTE_SDK}/${RTE_TARGET}/kmod/rte_kni.ko
$ sudo $(RTE_SDK}/tools./pci_unbind.py --status

        Network devices using IGB_UIO driver

        ====================================

        

        Network devices using kernel driver

        ===================================

        0000:02:01.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' if=eth0 drv=e1000 unused=igb_uio *Active*

        0000:02:02.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' if=eth1 drv=e1000 unused=igb_uio

        0000:02:03.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' if=eth2 drv=e1000 unused=igb_uio

        0000:02:04.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' if=eth3 drv=e1000 unused=igb_uio

        Other network devices

        =====================

        

$ sudo ${RTE_SDK}/pci_unbind.py -b igb_uio 0000:02:02.0 0000:02:03.0 0000:02:04.0
$ sudo ${RTE_SDK}/pci_unbind.py --status

        Network devices using IGB_UIO driver

        ====================================

        0000:02:02.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' drv=igb_uio unused=e1000

        0000:02:03.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' drv=igb_uio unused=e1000

        0000:02:04.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' drv=igb_uio unused=e1000

        Network devices using kernel driver

        ===================================

        0000:02:01.0 '82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper)' if=eth0 drv=e1000 unused=igb_uio *Active*

        Other network devices

        =====================

從上面的指令可以很輕易的發現，這台設備有 4 個網卡，其中 3 個會使用 DPDK 的機制，剩下一個（eth0）則還是採用原來 Linux 的 Kernel Module，這也是我們之後後用來連接 controller 的。我們可以利用 ifconfig 來確認目前網卡，應該會發現只剩下一張 eth0 了，那其他的呢？因為 DPDK 已經接管了，所以就不在 Linux 系統的管理範圍。

接下來要設定 Lagopus，編輯 lagopus.conf。範例如下：

interface {
    ethernet {
        eth0;
        eth1;
        eth2;
    }
}
bridge-domains {
    br0 {
        port {
            eth0;
            eth1;
            eth2;
        }
        controller {
            192.168.8.10;
        }
    }
}

要注意這裡的 eth0 和系統的 eth0 是不一樣的！剛剛我們把三張網卡納入 DPDK 的機制中，所以這邊就是從 eth0 到 eth2。

最後就是執行指令：

$ sudo lagopus -d -- -c3 -n1 -- -p3

參數的意義可以直接查詢 Lagopus 相關文件。要注意的事，這裡的數字都是 16 進位唷，而且還是用 bitmask 的方式呈獻。

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