基于DPDK技術(shù)的VoIP流量識別研究與實(shí)現(xiàn)

王 偉，黃 海，李軍政

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州450002）

基于DPDK技術(shù)的VoIP流量識別研究與實(shí)現(xiàn)

王 偉，黃 海，李軍政

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州450002）

作為廣泛應(yīng)用和發(fā)展的VoIP技術(shù)，其流量識別和有效監(jiān)控仍然受到各類運(yùn)營商的關(guān)注。針對當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)海量流量的網(wǎng)絡(luò)形式，實(shí)現(xiàn)VoIP流量高效識別的目的，本文采用基于DPDK技術(shù)的VOIP流量識別方法，將受限于網(wǎng)卡和帶寬的傳統(tǒng)服務(wù)器離散式框架整合至一個(gè)擴(kuò)展性更高且更簡單的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量識別框構(gòu)。最后通過DPDK平臺的VoIP流量識別試驗(yàn)，試驗(yàn)得出DPDK方案以64 byte小包識別率是基于Linux內(nèi)核的5～10倍，驗(yàn)證了該方案對VoIP流量識別的提升作用。

高速網(wǎng)絡(luò)；DPDK；VoIP流量識別；識別框架

互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使VoIP業(yè)務(wù)得到迅速推廣和廣泛應(yīng)用。研究高速有效的VoIP流量識別技術(shù)，提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用，當(dāng)下仍然是運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)。面對大量高速高吞吐量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，高速有效的數(shù)據(jù)包處理性能至關(guān)重要。在新的網(wǎng)絡(luò)形勢下，基于通用硬件平臺的流量識別技術(shù)不再滿足業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)包收發(fā)過程中，通用服務(wù)器和網(wǎng)卡同樣面臨著嚴(yán)重的性能瓶頸。傳統(tǒng)流量識別方案調(diào)用內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)開銷。因此新形勢下的VoIP流量識別方法需要提出擴(kuò)展性更高更簡單的解決辦法。

在X86服務(wù)器和多核技術(shù)的發(fā)展對對數(shù)據(jù)包性能提升的基礎(chǔ)上，文中首先介紹了DPDK技術(shù)，隨后提出了基于DPDK開源技術(shù)的VoIP流量識別方法，旨在當(dāng)前主流技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更高性能的VoIP流量識別。最后試驗(yàn)驗(yàn)證了方案對VoIP流量識別的提升能力，為DPDK技術(shù)推廣提升了新的思路。

1 網(wǎng)絡(luò)流量識別性能研究

當(dāng)前高速海量的網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)絡(luò)流量的識別性能，一部分取決于流量識別方法的效率和準(zhǔn)確度，一部分取決于來自服務(wù)器內(nèi)部的收發(fā)性能。

1.1 主流的VoIP流量識別方法

面對當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)據(jù)流量多樣化。傳統(tǒng)的協(xié)議識別方法，例如端口識別，雖然能夠達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，但卻不適用于識別基于動(dòng)態(tài)端口的數(shù)據(jù)流量。傳統(tǒng)的包流量識別，僅分析網(wǎng)絡(luò)層包頭中的“五元組”，即IP數(shù)據(jù)包的源地址，目的地址，協(xié)議類型，源端口，目的端口，不能夠真正實(shí)現(xiàn)流量識別[1]，有很大的局限性。

DPI（Deep Packet Inspection）技術(shù)，在傳統(tǒng)包流量識別基礎(chǔ)上，增加應(yīng)用層分析。當(dāng)數(shù)據(jù)包、TCP、UDP數(shù)據(jù)流經(jīng)過DPI技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，DPI引擎通過深入讀取IP數(shù)據(jù)包載荷的內(nèi)容來對OSI7層協(xié)議中的應(yīng)用信息進(jìn)行重組，從而識別出IP包的應(yīng)用層協(xié)議[2]。

針對 DPI進(jìn)行關(guān)鍵字掃描，由此識別VoIP數(shù)據(jù)流，可以大大提高數(shù)據(jù)流識別的效率，也會(huì)獲得較高的準(zhǔn)確率。

1.2 流量識別性能影響因素

本節(jié)我們將要對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)影響因素進(jìn)行討論，分析研究VoIP流量識別性能的優(yōu)化問題。數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)能力是影響流量識別性能的關(guān)鍵因素之一。對當(dāng)前傳統(tǒng)服務(wù)器而言，網(wǎng)絡(luò)流量收發(fā)問題是流量識別的主要瓶頸，在通用服務(wù)器內(nèi)部，流量的收發(fā)要經(jīng)過服務(wù)器I/O通道（網(wǎng)卡或虛擬網(wǎng)卡）、物理網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、內(nèi)核協(xié)議棧等多個(gè)復(fù)雜轉(zhuǎn)發(fā)流程[3]，通用網(wǎng)卡性能低，另外報(bào)文復(fù)制，內(nèi)核上下文切換等一系列問題會(huì)占用大量資源。同時(shí)造成CPU周期消耗。

因此，提升數(shù)據(jù)流量識別性能需要從以下幾點(diǎn)考慮：

1）減少網(wǎng)卡頻繁中斷

網(wǎng)卡在接收到報(bào)文后，會(huì)直接寫入內(nèi)存。面對海量的網(wǎng)絡(luò)流量，CPU就會(huì)長時(shí)間處于硬中斷狀態(tài)，無法滿足服務(wù)需求，因此網(wǎng)卡性能提升關(guān)鍵是要減少中斷，減少開銷。

2）減少內(nèi)核協(xié)議棧資源占用問題

以Linux系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要系統(tǒng)調(diào)用套接字。系統(tǒng)調(diào)用使用的內(nèi)核協(xié)議棧，會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)核上下文切換及內(nèi)核與進(jìn)程間的報(bào)文復(fù)制。不可避免的造成CPU周期消耗和占用。

綜上：提高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能是流量識別的關(guān)鍵因素之一，而提升數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能面臨的困難在于如何減少網(wǎng)卡中斷，棄用內(nèi)核協(xié)議棧。

針對上述問題，解決網(wǎng)絡(luò)框架的瓶頸問題至關(guān)重要，當(dāng)前以Intel提出DPDK開源技術(shù)提供了解決方法的新思路。

2 DPDK介紹

本節(jié)我們將對DPDK技術(shù)背景及原理進(jìn)行簡要介紹（詳細(xì)了解請參考文獻(xiàn)[4]程序員指南）。

2.1 DPDK技術(shù)背景及組成

DPDK正是在這一環(huán)境下，DPDK以其出色的快速有效的數(shù)據(jù)包性能優(yōu)化能力，以及與通用計(jì)算平臺的完美契合度，使之成為數(shù)據(jù)包處理關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)也成為產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的數(shù)據(jù)平臺熱點(diǎn)技術(shù)。當(dāng)前針對DPDK開源技術(shù)的研究工作已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)。

2.2 DPDK技術(shù)原理

DPDK（Data Plane Development Kit，數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件）是基于X86平臺為數(shù)據(jù)處理提供低開銷和高性能的運(yùn)行環(huán)境。DPDK包含報(bào)文快速處理的庫和驅(qū)動(dòng)的集合，以此最大限度的提升數(shù)據(jù)包的處理性能。DPDK技術(shù)使用UIO機(jī)制使網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在用戶態(tài)，繞開內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，直接從網(wǎng)卡上讀取數(shù)據(jù)，并組織成數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理。相當(dāng)于LINUX的設(shè)備無關(guān)IO接口。采用輪詢（PMD，Poll Mode Driver）和零拷貝方式從網(wǎng)卡收取報(bào)文，提高收發(fā)報(bào)文的性能，并且使用Hugepage和CPU affinity機(jī)制提高應(yīng)用程序處理報(bào)文的性能[5]。由此可以節(jié)約開銷，達(dá)到提升數(shù)據(jù)包處理性能的要求。對比前面提到的Linux系統(tǒng)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)的瓶頸問題[6]，DPDK提供了有效的解決方案。

DPDK還包含了優(yōu)化和高效的庫文件，核心模塊的一系列庫對高性能包處理程序提供了所有必須的接口。

圖1為核心模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖1 DPDK核心模塊結(jié)構(gòu)

DPDK性能非常高，以Intel官方系統(tǒng)測試為例，處理一個(gè)包80時(shí)鐘周期，以一個(gè)3.6 GHz的單核雙線程至強(qiáng)，64字節(jié)小包，純轉(zhuǎn)發(fā)能力是普通Linux內(nèi)核協(xié)議棧的5～10倍[7]。

3 基于DPDK平臺的VoIP流量識別方案

本節(jié)基于對流量識別性能的研究和DPDK開源技術(shù)對流量轉(zhuǎn)發(fā)性能的優(yōu)化問題認(rèn)知的基礎(chǔ)上，提出基于DPDK的性能優(yōu)化框架，并結(jié)合部門現(xiàn)有成熟的技術(shù)（DPI技術(shù)），進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)VoIP流量識別模塊到DPDK平臺的移植，從而提出基于DPDK的VoIP流量識別方案。

3.1 基于DPDK開源技術(shù)的性能優(yōu)化框構(gòu)

根據(jù)上面的分析，我們知道DPDK技術(shù)具有更良好、更有效的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能。DPDK技術(shù)繞開內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[8]，直接從網(wǎng)卡上讀取數(shù)據(jù)，并組織成數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理。由此進(jìn)行DPDK平臺的搭建[9]。

如圖2所示，系統(tǒng)基于DPDK優(yōu)越的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化性能，旁路內(nèi)核協(xié)議棧，減少開銷和網(wǎng)卡中斷、內(nèi)核復(fù)制[10]，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率和準(zhǔn)確性。為此本文提出基于X86服務(wù)器的串行網(wǎng)絡(luò)框架[11]。

圖2 基于DPDK的流量識別框架

基于DPDK平臺的數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)過程圖

I/O RX core以輪詢的方式從網(wǎng)卡收包，將數(shù)據(jù)報(bào)文放入內(nèi)存。然后以輪詢的方式從Worker core的TX隊(duì)列中對要發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行接收，再通過網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)發(fā)出[12]。隨后對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，解析出源IP、目的IP地址、源端口、目的端口等信息。

3.2 基于DPDK平臺的數(shù)據(jù)識別方案

前面已經(jīng)提到在新的網(wǎng)絡(luò)框架上加載 DPDK模塊及VoIP流量識別模塊。就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的高效轉(zhuǎn)發(fā)和識別。結(jié)合部門現(xiàn)有的VoIP流量識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的高效識別。

如圖4所示，為VoIP流量識別方法的移植方案。

圖4 基于DPDK平臺的數(shù)據(jù)識別方案

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

下面進(jìn)行基于DPDK技術(shù)的VoIP流量識別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃贒PDK技術(shù)和傳統(tǒng)情況的VoIP流量識別性能比較為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的清晰性[13]，不考慮多核環(huán)境，只在單機(jī)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)平臺為Linux Ubuntu2015，在虛擬機(jī)上面裝有DPDK版本2.1.0，并虛擬兩個(gè)1 000 M網(wǎng)卡，利用DPDK對數(shù)據(jù)包的處理調(diào)用VoIP流量識別模塊來完成識別實(shí)驗(yàn)[14]。實(shí)驗(yàn)通過以下步驟進(jìn)行：

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行Linux內(nèi)核與DPDK版本2.1.0的數(shù)據(jù)包識別性能的對比 ，主要比較識別流量基于DPDK平臺和基于Linux內(nèi)核的傳統(tǒng)方法與實(shí)際VoIP流量的接近程度。

實(shí)現(xiàn)過程：首先Linux系統(tǒng)利用Libpacp工具獲取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包[15]，在加載DPDK模塊后，API調(diào)用VoIP流量識別程序，實(shí)驗(yàn)比較兩種識別方案。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:以10 Gbit/s高速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，基于Linux內(nèi)核協(xié)議棧和基于DPDK技術(shù)的識別方案差別很大，基于DPDK方案以64 byte小包來看識別率是基于Linux內(nèi)核的5～10倍。如圖5所示，基于DPDK的流量識別方案較Linux內(nèi)核方案有了很大提升。

圖5 兩種方案對比圖

5 結(jié)束語

文中結(jié)合當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)形式，針對通用服務(wù)器和網(wǎng)卡的性能瓶頸，文中介紹了DPDK開源方法對數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的性能提升作用。在DPDK技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用部門成熟的流量識別技術(shù)，提出一個(gè)擴(kuò)展性更高更簡單的系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了VoIP流量的高效識別。最后通過對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于DPDK開源方法流量識別方案的高效性。

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VoIP traffic identification and implementation based on DPDK technology

WANG Wei，HUANG Hai，LI Jun-zheng
（China National Digital Switching System Engineering&Technological R&D Center，Zhengzhou 450002，China）

As a broad application and development of VoIP technology，its traffic identification and effective monitoring has been on the focus of concern of all types of operators.we use VOIP traffic identification method DPDK technology，F(xiàn)aced with the current network in the form of massive Internet traffic，this paper based on VoIP traffic identification program DPDK technology，the card will be limited to traditional server and bandwidth discrete integrated into the framework of a more scalable and easier identification of network traffic of a single frame.Finally，VoIP traffic recognition test DPDK platform，the test results DPDK programs to 64byte packet recognition rate is based on the Linux kernel 5～10 times to verify the effect of the program to enhance the identification of VoIP traffic.

high-speed network；DPDK；VoIP traffic identification；recognition framework

TN0

A

1674－6236（2016）23-0004-03

2016-03-15稿件編號：201603192

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（61521003）

王 偉（1992—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士。研究方向：智能信息處理。