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匠コラム

仮想アプライアンスの提案で直面する致命的な課題とその対策（DPDKに代表されるネットワークパフォーマンス改善手法） - 後編 -

匠コラム: 効率化・最適化; ネットワーク

2016.07.22

ビジネス推進本部応用技術部コアネットワークチーム
井上勝晴

2013年にETSI NFV ISGによりNFVの全体像を形作るGroup Specificationが公開されてから3年が経過し、「NFV」という単語を当たり前のように耳にするようになりました。
弊社ネットワンシステムズはNFV PoC（Proof-of-Concept）を自社ラボに構築し、「可用性、運用保守性、柔軟性」をKeywordとした幾つかの実証試験を行いました。（ネットワン NFV の全貌と市場への挑戦②）
このような活動の中、複数のお客様より、NFVが汎用x86サーバー上で提供されるが故のパフォーマンス面への懸念点を多く頂戴しました。そのような背景もあり、NFV環境におけるパフォーマンス課題とその解決方法について、実環境である弊社PoCを用いて実証実験を行いましたので、その結果を本コラムにて前編・後編に分けてご紹介したいと思います。（後編）

連載インデックス
仮想アプライアンスの提案で直面する致命的な課題とその対策 – 前編 – 仮想アプライアンスの提案で直面する致命的な課題とその対策 – 後編 –

スループット向上手法

NFVの様な仮想化環境においては、複数個所にボトルネックが存在し、それらへの対処が必要である事を前編にてご説明致しました。ではこのようなボトルネック問題に対し、どのような方策が提供されているのでしょうか。その幾つかを、本コラムにてご紹介させていただきます。

DPDK（Data Plane Development Kit）

DPDKは、Packetの高速処理を目的とした複数ドライバと複数ライブラリより構成されています。

Kernel Space上で動作していたネットワーク処理機能を、User Space上の1つのアプリケーションとして動作させるものになります。

下図にありますように、特定のCPUコアをデータプレーン処理用途に占有させる事により、パフォーマンスを向上させる事が可能となります。Poll mode driverにて、KernelをbypassしてPhysical Interfaceに届いたPacketを直接処理します。

このように、Kernel space上のネットワーク処理のボトルネックを解消するアプローチになります。

PCI Pass Through with SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）
通常の仮想化環境ではVMはHost上の各種Deviceに直接アクセスする事は不可であり、仮想化レイヤがエミュレートした仮想Deviceを利用する形を取ります。
そのため、この仮想レイヤの負荷に引きずられる形でパフォーマンスの低下が発生します。
PCI Pass Throughは、VMがホスト側のPCI Deviceに直接アクセスする事を可能とする技術です。仮想レイヤをBypassしてDeviceを直接制御するため、細かな制御も可能となり、Nativeに近いパフォーマンスが可能になると言われています。
PCI Pass Throughの実現方法として、Intel社からIntel VT-dが、AMD社ではAMD I/Oが、機能として提供されています。

次にSR-IOVですが、この技術はPCIデバイス側で仮想化をサポートする規格になります。
下図で説明しますと、左のトラッフィックにありますように、PCI Pass ThroughでGuest OSから直接物理Portを参照可能としますと、その物理Portが１つのVMに占有される事となります。その為、VMが増えるとその分、物理ポートが必要となります。
SR-IOVによるPCIデバイスの仮想化により、１つの物理ポートは複数の仮想ポートに分割され、中央と右側トラッフィクにありますように、複数VMで共有する事が出来るようになります。

vhost-User
前述のDPDKをOVSに適用させると、OVSプロセスがUser Spaceに存在する事になります。これは、VMからのトラッフィックには、OVSがHost kernelとVMの間に介在する事を意味します。
このようなUser Space内に複数アプリが介在するTrafficパターンでは、（Host Kernel内にvhost backedが存在する）従来のvhost-netによるqemuのバイパスでは不十分であり、煩雑なContext switchが依然存在する事となります。（下図★）

このようなケースに対する方策としてvhost-userが考案され、OVSが介在するケースにおいてもContext switchの削減が可能になります。
では、このvhost-userの仕組みを簡単に説明したいと思います。
基本的なコンセプトは、
「従来のvhost-netではKernel内に存在したvhost backendをUser Spaceに設置し、User Space内で動作する2つのアプリ間でダイレクトコネクトを提供する事によりContext switchの削減を達成する。」、
となります。
vhost clientとvhost backend(server)のより構成され、2つのアプリ間でやり取りされるデータは共有メモリ上で実行されます。利用シーンとしては、vhost backend機能を備えたOVSとvhost clientでディプロイしたVMとで動作する事により、2つのアプリ間で最適化され、Context switchの削減が達成されます。（下図）