多核處理器下的快速包處理軟件架構FastGate

陳首席，各位彎曲的老友們，你們好。關注彎曲多年，受益頗深。咱們來自ASTRI（香港應用科技研究院），是一羣熱愛系統設計的大宋子民，所在的項目組專一於多核處理器下的快速包處理的軟件研發，逐漸造成了一套高性能、高可擴展性的軟件架構FastGate，特在此跟你們分享和探討。

FastGate主要的目標是幫助用戶縮短研發週期，保護已有的代碼，快速開發和靈活部署本身的業務。用戶無需關注多核處理器的硬件細節、無需關注性能和擴展性，只需專一於自身功能模塊的開發，而後經過和FastGate框架的無縫集成即可以快速造成本身獨有的產品，推出市場，同時又能夠根據業務須要，靈活的擴展。

FastGate框架的的設計和SDN & OpenFlow的思想很吻合。主要特色以下：

（1）控制平面和數據平面分離。控制平面主要包括session、Flow和信令的管理，運行在User Space和Slow Path環境中。數據平面由一精簡的指令集組成，運行在FastPath環境中，專門負責網絡報文的處理和轉發。Application、SlowPath和FastPath三者之間經過MCC（Multi-core Communication）通訊，MCC同時支持本地和遠程通訊。

（2）經過在FastPath和SlowPath引入ENS Framework，網絡協議棧的功能得以以模塊的方式互聯，模塊能夠靜態或動態的插拔，經過配置平面組合成不一樣的網絡協議棧，以適應不一樣網絡設備對協議棧的需求。

（3）Application能夠運行在本地，也能夠是遠程的信令模塊，並可單獨開發和部署。從而下降系統的耦合性，提升總體的可靠性和擴展性。用戶或第三方的Application能夠無縫的和FastGate框架進行集成。

（4）FastPath運行在獨立、高效的多核執行環境中，對網絡報文的處理要求作到Simple and Stupid, 使其得以充分發揮多核並行處理的性能優點。爲此，FastPath中的功能模塊都採用高效的數據結構和算法，並針對多核並行處理進行優化。

（5）SlowPath由優化的Kernel協議棧和ENS Framework組成，主要負責IP協議棧的Session、Flow等的管理，並和FastPath進行數據同步。

ENS（Extensible/Efficient Network Stack Framework）負責構建網絡協議棧。ENS中的各個功能模塊之間是相互獨立和透明的，模塊之間經過hook的方式互連。模塊能夠靜態或動態的添加和刪除，這使得協議棧的擴展很是靈活，而又無需擔憂性能問題。因爲ENS Framework應用在整個協議棧，使得用戶不管是在L二、L3，仍是L7均可以很容易的擴展自身的業務，從而使得整個系統兼具軟件的靈活性和硬件的高性能。

以LTE EPC中SGW和PGW爲例，用戶的開發也分爲控制平面和數據平面。控制平面即符合3GPP規範的SGW和PGW的協議部分，開發完成後，能夠部署在FastGate所在的板卡，也能夠根據須要部署在獨立的板卡上。數據平面即SGW&PGW的報文處理部分，開發完成後做爲一個功能模塊插入到Fast Path的ENS Framework中，就造成了SGW&PGW的網絡協議棧。

關於系統的性能，下面給出基於Cavium cn5850（12 Cores, 600Mhz）的IPv4 Unicast Forwarding (8 cores for fastpath)的性能測試數據：

Fib Number	28,892
Memory Occupied(MB):	3.44
Measured in PPS	4,627,408
Measured in Mbps	4,000 (limited by I/O throughput of ispan9210)
Measured in Latercy(μs)	5 ~ 10

目前FastGate已經在包括ATCA 和Micro-TCA多個平臺上應用，所涉及的項目包括Wi-Fi AC, ASN GW, Femto SeGW, LTE EPC PGW, LTE EPC SGW等。指望彎曲的朋友和專家能不吝賜教，批評指正。