网络性能评估_dpdk pktgen 网络性能测试

在Linux中常见的网络性能指标如下

l  带宽

表示链路的最大传输速率，单位是b/s 比特/秒，在位服务器选网卡时，带宽就是最核心的参考指标，常用的带宽有1000M，10G，40G，100G等

网络带宽测试，测试的不是带宽，而是网络吞吐量，Linux服务器的网络吞吐量一般会比带宽小，而对交换机等专门的网络设备来说，吞吐量一般会接近带宽

l  吞吐量

表示没有丢包时最大的数据传输速率，单位通常是b/s比特/秒，或B/s字节/秒，吞吐量受带宽的限制，吞吐量/带宽也是该网络链路的使用率

l  延迟

表示从网络请求发出后，一直到收到远端响应所需要的时间延迟，这个指标在不同场景中有不同含义，它可以表示建立连接需要的时间(TCP握手延时)，或者一个数据包往返所需时间RTT

l  PPS

Packet Per Second，表示已网络包为单位的传输速率，PPS通常用来评估网络的转发能力，基于Linux服务器的转发，很容易受到网络包大小的影响(交换机通常不会受太大影响，交换机可以线性转发)

PPS，通常用在需要大量转发的场景中，而对TCP或者Web服务器来说，更多会用并发连接数和每秒请求数(QPS Query per Second)等指标，他们更能反映实际应用程序的性能

网络测试基准

Linux网络基于TCP/IP协议栈，不同协议层的行为不同，在测试之前，根据应用程序基于的协议层进行针对性网络性能评估，比如：

基于HTTP或HTTPS的Web应用程序，属于应用层，需要我们测试HTTP/HTTPS的性能

大多数游戏服务器，为了支持更大的同时在线人数，通常会基于TCP或UDP，与客户端交互，这时就需要测试TCP/UDP的性能

针对把Linux作为一个软交换机或路由器来用的场景，需要关注网络包的处理能力PPS，重点关注网络层的转发性能

低层协议是其上的各层网络协议的基础，低层协议的性能，也就决定了高层网络性能

转发性能

网络接口层和网络层，主要负责网络包的封装，寻址，路由，转发和接收，在这两个网络协议层中，每秒可以处理的网络包数PPS，就是最终的性能指标，特别是64B小包的处理能力，值得我们特别关注？？？？？

PPS包转发率

传输过程中，帧之间有间距（12个字节），每个帧前面还有前导（7个字节）、帧首界定符（1个字节）。

帧理论转发率= BitRate/8 / (帧前导+帧间距+帧首界定符+报文长度）

 

最大吞吐量（最大帧大小：1538B，最大以太帧大小：1518B）

最大的以太网吞吐量是通过单个传输节点实现的，当以太网帧处于最大大小时，该传输节点不会发生任何冲突。

以太网的帧开销是18字节，目的MAC（6）＋源MAC（6）＋Type（2）＋CRC（4）。局域网规定IP最大传输单元1500字节，实际上加上以太网帧的18字节，再加上8B就是1518字节

最大帧率（最小帧大小：84B，最小以太帧：64B，最小以太网帧有效载荷：46B）

以太网是无连接的，不可靠的服务，采用尽力传输的机制。IEEE标准，一个碰撞域内，最远的两台机器之间的round-trip time 要小于512bit time.(来回时间小于512位时，所谓位时就是传输一个比特需要的时间）。这也是我们常说的一个碰撞域直径。512个位时，也就是64字节的传输时间，如果以太网数据包大于或等于64个字节，就能保证碰撞信号到达A的时候，数据包还没有传完。这就是为什么以太网要最小64个字节，同样，在正常的情况下，碰撞信号应该出现在64个字节之内，这是正常的以太网碰撞，如果碰撞信号出现在64个字节之后，叫 late collision。这是不正常的。

以太网链路的最大帧速率和吞吐量计算

理论上限

百兆端口线速包转发率=100Mbps/672=0.1488095Mpps，约等于0.14881Mpps，14万pps

千兆端口线速包转发率=1000Mbps/672=1.488095Mpps，约等于1.4881Mpps，148万pps

万兆端口线速包转发率=10000Mbps/672=14.88095Mpps，约等于14.881Mpps，1488万pps

 

arrival为每个数据包之间的时间间隔。

rte：runtime environment 即运行环境。

eal： environment abstraction layer 即抽象环境层。

测试方法

pktgen是linux内核自带的发包工具，省却了用户态socket的参与，纯粹在内核构造skb送netdev的txqueue上，可以达到极高pps。pktgen只有UDP协议，适合做吞吐量测试。

基线测试

在性能测试中首先要做的是建立基线(Baseline)，这样后续的调整才会有一个参考标准。值得注意的是，在测试基线的时候，一定要保证系统工作在正常的状态下。

测试结果

 

 

测试结论

64B小包，千兆网卡可以达到带宽，万兆网卡远远达不到带宽，前者受限于带宽，后者受限于cpu包中断处理

单个cpu ksoftirqd占用100%

结论分析

万兆网卡包收发瓶颈：是cpu而不是网卡带宽

1） 网络数据包来了之后通过中断模式进行通知，而cpu处理中断的能力是一定的，如果网络中有大量的小数据包，造成了网络的拥堵，cpu处理不及时。

2） 操作系统的协议栈是单核处理，没办法利用现在操作系统的多核。
网络数据包从网卡到内核空间，再到用户空间，进行了多次数据拷贝，性能比较差。

Linux + x86网络IO瓶颈

1. 数据必须从内核态用户态之间切换拷贝带来大量CPU消耗，全局锁竞争。
2. 收发包都有系统调用的开销。
3. 内核工作在多核上，为可全局一致，即使采用Lock Free，也避免不了锁总线、内存屏障带来的性能损耗。