dpdk 收发包函数分析：dpdk-20.11 ice sse 向量收发包函数关键过程分析
收包函数主体逻辑
mbuf_initializer 字段用于初始化每个 mbuf
mbuf_initializer 字段初始化的内容：
/* next 8 bytes are initialised on RX descriptor rearm */
RTE_MARKER64 rearm_data;
uint16_t data_off;
/**
* Reference counter. Its size should at least equal to the size
* of port field (16 bits), to support zero-copy broadcast.
* It should only be accessed using the following functions:
* rte_mbuf_refcnt_update(), rte_mbuf_refcnt_read(), and
* rte_mbuf_refcnt_set(). The functionality of these functions (atomic,
* or non-atomic) is controlled by the RTE_MBUF_REFCNT_ATOMIC flag.
*/
uint16_t refcnt;
uint16_t nb_segs; /**< Number of segments. */
/** Input port (16 bits to support more than 256 virtual ports).
* The event eth Tx adapter uses this field to specify the output port.
*/
uint16_t port;
这部分值每个报文基本一致。
mbuf_initialized 结构的内容：
mbuf_initialized ----->----------------------
16b | data_off | RTE_PKTMBUF_HEADROOM
16b | refcnt | 1
16b | nb_segs | 1
16b | port_id | rxq->port_id
向量函数含义：
__m128i _mm_set_epi64x(__int64 q1, __int64 q0);
设置两个 64 bit 整型值
result = [ q0 , q1 ]
初始化 mbuf_init 结构：
const __m128i mbuf_init = _mm_set_epi64x(0, rxq->mbuf_initializer);
执行后 mbuf_init 的值 :
mbuf_init ----------->------------------------
16b | data_off | RTE_PKTMBUF_HEADROOM
16b | refcnt | 1
16b | nb_segs | 1
16b | port_id | rxq->port_id
32b | 0 |
32b | 0 |
1. 设置 crc 掩码的值，对一个 mbuf 进行处理，同时将 pkt_len 与 data_len 减去 crc_len 长度
向量函数含义：
__m128i _mm_set_epi16(short w7, short w6, short w5, short w4, short w3, short w2, short
w1, short w0);
设置 8 个有符号 16bit 整型
result = [ w0 , w1 , … , w7 ]
驱动掩码设置相关代码：
__m128i crc_adjust = _mm_set_epi16
(0, 0, 0, /* ignore non-length fields */
-rxq->crc_len, /* sub crc on data_len */
0, /* ignore high-16bits of pkt_len */
-rxq->crc_len, /* sub crc on pkt_len */
0, 0 /* ignore pkt_type field */
);
此处的掩码设置用于后续基于向量单位对多个报文同时计算。
2. 设置后续运行的掩码
mbuf 中相关的字段结构：
| 变量名称 | 变量宽度 |
|---|---|
| pkt_type | 32 |
| pkt_len | 64 |
| data_len | 80 |
| vlan_macip | 96 |
| rss_hash | 128 |
向量函数代码：
const __m128i zero = _mm_setzero_si128();
/* mask to shuffle from desc. to mbuf */
const __m128i shuf_msk = _mm_set_epi8
(0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF, /* rss hash parsed separately */
11, 10, /* octet 10~11, 16 bits vlan_macip */
5, 4, /* octet 4~5, 16 bits data_len */
0xFF, 0xFF, /* skip high 16 bits pkt_len, zero out */
5, 4, /* octet 4~5, low 16 bits pkt_len */
0xFF, 0xFF, /* pkt_type set as unknown */
0xFF, 0xFF /* pkt_type set as unknown */
);
0xFF 表示将对应字节的值清 0，最高位不为 1 表示选择 a[n & 0xf] 字节值。 此掩码跳过 pkt_len 的高 16-bit。
3. 设置 EOP 掩码值、dd mask、eop mask
const __m128i eop_shuf_mask = _mm_set_epi8(0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF,
0x04, 0x0C,
0x00, 0x08);
/**
* compile-time check the above crc_adjust layout is correct.
* NOTE: the first field (lowest address) is given last in set_epi16
* call above.
*/
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, pkt_len) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 4);
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, data_len) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 8);
/* 4 packets DD mask */
const __m128i dd_check = _mm_set_epi64x(0x0000000100000001LL,
0x0000000100000001LL);
/* 4 packets EOP mask */
const __m128i eop_check = _mm_set_epi64x(0x0000000200000002LL,
0x0000000200000002LL);
dd_check 与 eop_check 针对 rx 描述符，同时对两个描述符进行操作，每个描述符占据 64-bit。
4. 判断是否需要重整队列，需要则执行队列重整操作
申请 ICE_RXQ_REARM_THRESH 个 mbuf，然后将 mbuf dataroom 的物理地址填充到空闲的描述符中。
5. 获取当前软件可用描述符并预取描述符
普通函数逻辑，读取描述符中的标志，当没有可用描述符时，函数直接返回。
6. 填充 mbuf dataroom 物理地址到描述符函数主体向量指令
向量函数代码：
/* Initialize the mbufs in vector, process 2 mbufs in one loop */
for (i = 0; i < ICE_RXQ_REARM_THRESH; i += 2, rxep += 2) {
__m128i vaddr0, vaddr1;
mb0 = rxep[0].mbuf;
mb1 = rxep[1].mbuf;
/* load buf_addr(lo 64bit) and buf_iova(hi 64bit) */
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, buf_iova) !=
offsetof(struct rte_mbuf, buf_addr) + 8);
vaddr0 = _mm_loadu_si128((__m128i *)&mb0->buf_addr);
vaddr1 = _mm_loadu_si128((__m128i *)&mb1->buf_addr);
/* convert pa to dma_addr hdr/data */
dma_addr0 = _mm_unpackhi_epi64(vaddr0, vaddr0);
dma_addr1 = _mm_unpackhi_epi64(vaddr1, vaddr1);
/* add headroom to pa values */
dma_addr0 = _mm_add_epi64(dma_addr0, hdr_room);
dma_addr1 = _mm_add_epi64(dma_addr1, hdr_room);
/* flush desc with pa dma_addr */
_mm_store_si128((__m128i *)&rxdp++->read, dma_addr0);
_mm_store_si128((__m128i *)&rxdp++->read, dma_addr1);
}
mbuf 中虚拟地址与物理地址结构如下：
typedef uint64_t rte_iova_t;
.........
void *buf_addr; /**< Virtual address of segment buffer. */
/**
* Physical address of segment buffer.
* Force alignment to 8-bytes, so as to ensure we have the exact
* same mbuf cacheline0 layout for 32-bit and 64-bit. This makes
* working on vector drivers easier.
*/
rte_iova_t buf_iova __rte_aligned(sizeof(rte_iova_t));
使用 128-bit 寄存器，一次将 buf_addr 与 buf_iova 地址加载到一个 128-bit 的变量中，低 64-bit 存储 buf_addr，高 64-bit 存储 buf_iova 地址。
6.1 每次处理两个 rxd，首先将第一组 rxep mbuf 地址分别加载到 mb0 与 mb1 两个 mbuf 结构中
6.2 将 mb0 的虚拟地址加载到 vaddr0 128-bit 中，将 mb1 的虚拟地址加载到 vaddr1 128-bit 中
处理后 vaddr0 与 vaddr1 内容示例：
vaddr0 -->------------------ vaddr1 ---->---------------
hi-64b -->| mb0->buf_iova | hi-64b --->| mb1->buf_iova|
lo-64b -->| mb0->buf_addr | lo-64b --->| mb1->buf_addr|
------------------ ----------------
6.3 调整 vaddr0、vaddr1 中 buf_iova 的位置
向量函数代码：
/* convert pa to dma_addr hdr/data */
dma_addr0 = _mm_unpackhi_epi64(vaddr0, vaddr0);
dma_addr1 = _mm_unpackhi_epi64(vaddr1, vaddr1);
执行后 vaddr0 与 vaddr1 结构：
dma_addr0 -->----------------- dma_addr1 ----->----------------
hi-64b -->| mb0->buf_iova | hi-64b --->| mb1->buf_iova |
lo-64b -->| mb0->buf_iova | lo-64b --->| mb1->buf_iova |
------------------ ----------------
6.4 使用 dma_addr0 加上 hdr_room 将地址指向 dataroom 的物理地址
向量函数代码：
/* add headroom to pa values */
dma_addr0 = _mm_add_epi64(dma_addr0, hdr_room);
dma_addr1 = _mm_add_epi64(dma_addr1, hdr_room);
执行上述操作后的值：
dma_addr0 -->---------------------------- dma_addr-->---------------------------
hi-64b -->| mb0->buf_iova + hdr_room | hi-64b --->| mb1->buf_iova + hdr_room |
lo-64b -->| mb0->buf_iova + hdr_room | lo-64b --->| mb1->buf_iova + hdr_room |
------------------------------- ----------------------------
6.5 将 dma_addr 存储到描述符中
/* flush desc with pa dma_addr */
_mm_store_si128((__m128i *)&rxdp++->read, dma_addr0);
_mm_store_si128((__m128i *)&rxdp++->read, dma_addr1);
rx_desc 中报文地址相关定义：
__le64 pkt_addr; /* Packet buffer address */
__le64 hdr_addr; /* Header buffer address */
普通收包函数中设置内容：
/**
* fill the read format of descriptor with physic address in
* new allocated mbuf: nmb
*/
rxdp->read.hdr_addr = 0;
rxdp->read.pkt_addr = dma_addr;
普通收包函数中 hdr_addr 设置为 0，sse 中却设定为了 dma_addr，这里有机关！
6.6 更新软件变量值
7. 判断当前描述符的 dd 位是否为 1，为 1 表示至少有一个报文
8. 开始批量从 rx desc 向 mbuf 转换
转换前添加如下断言，确保 mbuf 中字段的偏移正确。
/**
* Compile-time verify the shuffle mask
* NOTE: some field positions already verified above, but duplicated
* here for completeness in case of future modifications.
*/
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, pkt_len) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 4);
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, data_len) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 8);
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, vlan_tci) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 10);
RTE_BUILD_BUG_ON(offsetof(struct rte_mbuf, hash) !=
offsetof(struct rte_mbuf, rx_descriptor_fields1) + 12);
使用向量指令从描述符转化为 mbuf 的关键过程
1. 进入 for 循环，每次处理 4 个描述符，填充 4 个 mbuf（此处假定为这种情况） 2. 加载描述符中的 mbuf 与描述符内容到 128-bit 变量中
一个 128-bit 加载两个 mbuf 地址：
mbp1 ---->-------------------------
hi-64 | sw_ring[pos + 1]->mbuf |
lo-64 | sw_ring[pos]->mbuf |
-------------------------
mbp2 ---->-------------------------
hi-64 | sw_ring[pos + 2]->mbuf |
lo-64 | sw_ring[pos + 3]->mbuf |
--------------------------
加载四个描述符到四个 128-bit 的 desc 变量中：
descs[3] = _mm_loadu_si128((__m128i *)(rxdp + 3));
rte_compiler_barrier();
/* B.2 copy 2 64 bit or 4 32 bit mbuf point into rx_pkts */
_mm_storeu_si128((__m128i *)&rx_pkts[pos], mbp1);
descs[2] = _mm_loadu_si128((__m128i *)(rxdp + 2));
rte_compiler_barrier();
/* B.1 load 2 mbuf point */
descs[1] = _mm_loadu_si128((__m128i *)(rxdp + 1));
rte_compiler_barrier();
descs[0] = _mm_loadu_si128((__m128i *)(rxdp));
在每个 desc 加载时都添加了编译屏障，避免优化产生问题，加载后 desc 结构：
desc[0] --> rxdp[0]
desc[1] --> rxdp[1]
desc[2] --> rxdp[2]
desc[3] --> rxdp[3]
接收描述符定义：
union ice_32b_rx_flex_desc {
struct {
__le64 pkt_addr; /* Packet buffer address */
__le64 hdr_addr; /* Header buffer address */
/* bit 0 of hdr_addr is DD bit */
__le64 rsvd1;
__le64 rsvd2;
} read;
struct {
/* Qword 0 */
u8 rxdid; /* descriptor builder profile ID */
u8 mir_id_umb_cast; /* mirror=[5:0], umb=[7:6] */
__le16 ptype_flex_flags0; /* ptype=[9:0], ff0=[15:10] */
__le16 pkt_len; /* [15:14] are reserved */
__le16 hdr_len_sph_flex_flags1; /* header=[10:0] */
/* sph=[11:11] */
/* ff1/ext=[15:12] */
/* Qword 1 */
__le16 status_error0;
__le16 l2tag1;
__le16 flex_meta0;
__le16 flex_meta1;
/* Qword 2 */
__le16 status_error1;
u8 flex_flags2;
u8 time_stamp_low;
__le16 l2tag2_1st;
__le16 l2tag2_2nd;
/* Qword 3 */
__le16 flex_meta2;
__le16 flex_meta3;
union {
struct {
__le16 flex_meta4;
__le16 flex_meta5;
} flex;
__le32 ts_high;
} flex_ts;
} wb; /* writeback */
};
单个 desc 加载后内容如下：
Qword 1 hi-64
Qword 0 lo-64
注意顺序为从高地址向低地址加载。
3. 将 mbuf 地址填充到 rx_pkts 数组中
/* B.2 copy 2 64 bit or 4 32 bit mbuf point into rx_pkts */
_mm_storeu_si128((__m128i *)&rx_pkts[pos], mbp1);
/* B.2 copy 2 mbuf point into rx_pkts */
_mm_storeu_si128((__m128i *)&rx_pkts[pos + 2], mbp2);
4. 当设置了 split_packet 后，预取 mbuf 中的第二个 cache line
在 mbuf 结构中使用不占空间的变量标识每一个 cache line 的起始位置。
5. 将 desc 中的字段填充到 pktmbuf 中
向量函数代码：
/* D.1 pkt 3,4 convert format from desc to pktmbuf */
pkt_mb3 = _mm_shuffle_epi8(descs[3], shuf_msk);
pkt_mb2 = _mm_shuffle_epi8(descs[2], shuf_msk);
/* D.1 pkt 1,2 convert format from desc to pktmbuf */
pkt_mb1 = _mm_shuffle_epi8(descs[1], shuf_msk);
pkt_mb0 = _mm_shuffle_epi8(descs[0], shuf_msk);
/* C.1 4=>2 filter staterr info only */
sterr_tmp2 = _mm_unpackhi_epi32(descs[3], descs[2]);
/* C.1 4=>2 filter staterr info only */
sterr_tmp1 = _mm_unpackhi_epi32(descs[1], descs[0]);
掩码值：
const __m128i shuf_msk = _mm_set_epi8
(0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF, /* rss hash parsed separately */
11, 10, /* octet 10~11, 16 bits vlan_macip */
5, 4, /* octet 4~5, 16 bits data_len */
0xFF, 0xFF, /* skip high 16 bits pkt_len, zero out */
5, 4, /* octet 4~5, low 16 bits pkt_len */
0xFF, 0xFF, /* pkt_type set as unknown */
0xFF, 0xFF /* pkt_type set as unknown */
);
rx 描述符与 mbuf 中的相关字段定义摘录：
/* Qword 0 */
u8 rxdid; /* descriptor builder profile ID */
u8 mir_id_umb_cast; /* mirror=[5:0], umb=[7:6] */
__le16 ptype_flex_flags0; /* ptype=[9:0], ff0=[15:10] */
__le16 pkt_len; /* [15:14] are reserved */
__le16 hdr_len_sph_flex_flags1; /* header=[10:0] */
/* sph=[11:11] */
/* ff1/ext=[15:12] */
/* Qword 1 */
__le16 status_error0;
__le16 l2tag1;
__le16 flex_meta0;
__le16 flex_meta1;
union {
uint32_t packet_type; /**< L2/L3/L4 and tunnel information.
...................
};
uint32_t pkt_len; /**< Total pkt len: sum of all segments. */
uint16_t data_len; /**< Amount of data in segment buffer. */
/** VLAN TCI (CPU order), valid if PKT_RX_VLAN is set. */
uint16_t vlan_tci;
union {
union {
uint32_t rss; /**< RSS hash result if RSS enabled */
执行 __mm_shuffle_epi8 函数，设置 pkt_len、data_len、vlan_tci，清空 packet_type、rss。
向量函数调用代码：
pkt_mb3 = _mm_shuffle_epi8(descs[3], shuf_msk);
调用之后 pkt_mb3 的结构内容如下：
pkt_mb3 ---->-------------------------------------------
| 0 |
---------------------------
| 0 | mbuf->packet_type
---------------------------
| 0 |
---------------------------
| 0 |
---------------------------------------------
| desc[3].pkt_len low 8b |
---------------------------
| desc[3].pkt_len high 8b|
--------------------------- mbuf->pkt_len
| 0 |
---------------------------
| 0 |
----------------------------------------------
| desc[3].pkt_len low 8b |
--------------------------- mbuf->data_len
| desc[3].pkt_len hith 8b |
----------------------------------------------
| desc[3].l2tag1 low 8b |
--------------------------- mbuf->vlan_tci
| desc[3].l2tag1 low 8b |
-----------------------------------------------
| 0 |
---------------------------
| 0 | mbuf->rss
---------------------------
| 0 |
---------------------------
| 0 |
-----------------------------------------------
pkt_mb2、pkt_mb1、pkt_mb0 结构类似。
6. 过滤 staterr 信息
向量函数代码：
/* C.1 4=>2 filter staterr info only */
sterr_tmp2 = _mm_unpackhi_epi32(descs[3], descs[2]);
/* C.1 4=>2 filter staterr info only */
sterr_tmp1 = _mm_unpackhi_epi32(descs[1], descs[0]);
向量函数含义：
__m128i _mm_unpackhi_epi32(__m128i a, __m128i b);
交替高2位有符号或无符号32bit整数
result = [ a2 , b2 , a3, b3 ]
rx desc 中相关结构：
/* Qword 0 */
u8 rxdid; /* descriptor builder profile ID */
u8 mir_id_umb_cast; /* mirror=[5:0], umb=[7:6] */
__le16 ptype_flex_flags0; /* ptype=[9:0], ff0=[15:10] */
__le16 pkt_len; /* [15:14] are reserved */
__le16 hdr_len_sph_flex_flags1; /* header=[10:0] */
/* sph=[11:11] */
/* ff1/ext=[15:12] */
/* Qword 1 */
__le16 status_error0;
__le16 l2tag1;
__le16 flex_meta0;
__le16 flex_meta1;
执行后 sterr_tmp2 结构如下：
sterr_tmp2 ---->-----------------------------------
| desc[3].l2tag1 + status_error0 |
| desc[2].l2tag1 + status_error0 |
| desc[3].flex_meta0 + flex_meta1 |
| desc[2].flex_meta0 + flex_meta1 |
-----------------------------------
7. 将 rx olflags 映射到 mbuf 中
将四个描述符合并为一个的向量函数逻辑分析
ice_rx_desc 部分定义：
struct {
/* Qword 0 */
u8 rxdid; /* descriptor builder profile ID */
u8 mir_id_umb_cast; /* mirror=[5:0], umb=[7:6] */
__le16 ptype_flex_flags0; /* ptype=[9:0], ff0=[15:10] */
__le16 pkt_len; /* [15:14] are reserved */
__le16 hdr_len_sph_flex_flags1; /* header=[10:0] */
/* sph=[11:11] */
/* ff1/ext=[15:12] */
/* Qword 1 */
__le16 status_error0;
__le16 l2tag1;
__le16 flex_meta0;
__le16 flex_meta1;
/* Qword 2 */
__le16 status_error1;
u8 flex_flags2;
u8 time_stamp_low;
__le16 l2tag2_1st;
__le16 l2tag2_2nd;
/* Qword 3 */
__le16 flex_meta2;
__le16 flex_meta3;
合并 4 个描述符标志信息的向量函数调用代码：
/* merge 4 descriptors */
flags = _mm_unpackhi_epi32(descs[0], descs[1]);
tmp_desc = _mm_unpackhi_epi32(descs[2], descs[3]);
tmp_desc = _mm_unpacklo_epi64(flags, tmp_desc);
tmp_desc = _mm_and_si128(tmp_desc, desc_mask);
第一步执行后 flags 的布局:
flags ----------->---------------------------------
| desc[0].status_error0 l2tag1 |
| desc[1].status_error0 l2tag1 |
| desc[0].flex_meta0 flex_meta1 |
| desc[1].flex_meta0 flex_meta1 |
第二步执行后 tmp_desc 的布局:
tmp_desc -------->---------------------------------
| desc[2].status_error0 l2tag1 |
| desc[3].status_error0 l2tag1 |
| desc[2].flex_meta0 flex_meta1 |
| desc[3].flex_meta0 flex_meta1 |
第三步执行后 tmp_desc 的布局:
tmp_desc -------->---------------------------------
| desc[0].status_error0 l2tag1 |
| desc[1].status_error0 l2tag1 |
| desc[2].status_error0 l2tag1 |
| desc[3].status_error0 l2tag1 |
desc_mask 内容：
/* mask everything except checksum, RSS and VLAN flags.
* bit6:4 for checksum.
* bit12 for RSS indication.
* bit13 for VLAN indication.
*/
const __m128i desc_mask = _mm_set_epi32(0x3070, 0x3070,
0x3070, 0x3070);
合并操作后，设置四个描述符中 checksum、rss、vlan 的值。
发包函数实现分析
tx 的逻辑非常简单，要用 mbuf 中的字段填充一个 ice_tx_desc 结构，使用到的 sse 向量函数逻辑：
static inline void
ice_vtx1(volatile struct ice_tx_desc *txdp,
struct rte_mbuf *pkt, uint64_t flags)
{
uint64_t high_qw =
(ICE_TX_DESC_DTYPE_DATA |
((uint64_t)flags << ICE_TXD_QW1_CMD_S) |
((uint64_t)pkt->data_len << ICE_TXD_QW1_TX_BUF_SZ_S));
__m128i descriptor = _mm_set_epi64x(high_qw,
pkt->buf_iova + pkt->data_off);
_mm_store_si128((__m128i *)txdp, descriptor);
}
ice_tx_desc 结构：
/* Tx Descriptor */
struct ice_tx_desc {
__le64 buf_addr; /* Address of descriptor's data buf */
__le64 cmd_type_offset_bsz;
};
发包函数需要填充 mbuf dataroom 起始地址的物理地址以及一些发送标志到发送描述符中，ice_tx_desc 为 128bit，填充一次就能够存储这两个字段。
总结
dpdk 内部向量收发包函数使用硬件向量指令优化传统的收发包过程，主要的优化内容集中在收包逻辑上，发包的主要过程为 dma 操作，优化空间非常有限。
dpdk 收发包 burst 过程是一个非常代表性的批量化处理场景，将硬件向量指令集成到批量化上，带来了小包性能的显著提升以及程序 cpu 占用率的下降，是挖掘硬件特性达成性能优化的一个很好的案例。
同时需要说明的是 dpdk 使用向量收发包函数需要满足一定的条件，这个条件因网卡不同而有所区别，这些条件包括了 dpdk 接口初始化时配置的一些硬件卸载功能，需要非常注意！
备注：dpdk 内部不直接使用向量指令而是通过使用一层封装函数来间接调用！