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UCloud基于Linux内核新特性的Conntrack卸载设计与优化

近期,Netfilter 和 Mellanox 联合开发了flowtable hardware offload 功能,使flowtable成为一种标准的conntrack卸载方案,并实现了Linux标准的Netfilter 硬件offload接口。作为一个新功能,还存在一些缺陷和不完善的地方。

对此,我们做了大量的硬件卸载开发工作,进行问题修复、功能优化,帮助完善kernel功能并提升性能,后续也计划将该功能合并至UCloud外网网关,进一步提升系统性能和管理能力。

优化后的性能飞跃

首先,来看一组简单粗暴的数据。

在所有硬件卸载开发工作完成后,我们基于flowtable的conntrack offload,从bps、pps、cpu使用率等维度分别进行了系列性能对比测试,测试结果如下:

  • 非硬件卸载模式:

①单条流带宽测试为12GBps,耗费2个host CPU;

②多条流小包包量测试为1Mpps,耗费8个host CPU;

  • 硬件卸载模式:

①单条流带宽测试为23GBps,耗费 0 host CPU;

②多条流小包包量测试为8Mpps,耗费 0 host CPU;

可以看到在硬件卸载模式下bps、pps性能提升显著,**不仅做到了CPU无损耗,性能还分别提升1倍、8倍之多。**不过对于新建连接率cps并没有太显著的提升,分析原因为该性能由conntrack在软件协议栈中完成,与硬件无关。在已有层面,一旦该特性应用于产品上,预估将带来极大的性能飞跃。

当然,性能提升的背后离不开每一个细微技术的打磨:我们对conntrack offload与NAT功能分别进行了问题修复与优化,并在此基础上,还与Netfilter、Mellanox合作开发了tunnel offload的新特性。 接下来,就来详细聊聊我们所做的工作。

Flowtable offload背景简介

Linux内核在版本4.16引入了flow offload功能,它为IP forward提供了基于流的卸载功能。当一条新建连接完成首回合原方向和反方向的报文时,完成路由,Firewall和NAT工作后,在处理反方向首报文的forward hook,根据报文路由、NAT等信息创建可卸载flow到接收网卡ingress hook上。后续的报文可以在接收ingress hook上直接转发,不需要再进入IP stack处理。 这种模式实现了完成建立连接的conntrack软件offload,不过目前flowtable offload只支持TCP和UDP协议的卸载。

图:Flowtable offload图示

当前内核中硬件支持offload的标准只有Network TC subsystem的tc flower接口。

_Pablo Neira Ayuso_首先将tc flower相应的offload接口进行公共化为network子系统flow offload,然后在flowtable offload中支持HW的flow offload接口。这样便可在驱动层面上完全统一使用flow offload接口。

_Paul Blakey_将flowtable offload指定到TC_SETUP_FT域,实现在驱动层来区分不同的subsystem。

在所有基本功能完善后,**我们在review commit的代码后发现flowtable HW offload的建立并没有指定到正确的TC_SETUP_FT类型。**对此,我们进行了简单的修复,并将patch提交至社区:

① Netfilter:nf_flow_table_offload:Fix block setup as TC_SETUP_FT cmd(git.kernel.org/pub/scm/lin…

②Netfilter:nf_flow_table_offload:Fix block_cb tc_setup_type as TC_SETUP_CLSFLOWER(git.kernel.org/pub/scm/lin…

Conntrack offload测试优化实践

接着,我们对conntrack offload卸载功能进行了实操测试,发现其中存在部分卸载规则问题,对其进行了修复优化。

|  测试复现

创建一台虚拟机,配置虚拟机地址为10.0.0.75。host创建user1的vrf,将虚拟机对应的VF representor mlx_pf0vf0以及PF mlx_p0加入到user vrf。PF对端连接物理机地址为10.0.1.241。Host作为虚拟机和对端物理机之间的虚拟机路由器。

创建firewall规则,允许访问虚拟机的icmp和tcp 5001端口,并且把VFrepresentor port和PF port加入到flowtable做offload。

开启netperf测试,10.0.1.241访问10.0.0.75:5001。发现连接能成功建立,但是后续带宽跑不上来。

|  问题定位

在Host上的确抓不到相应的报文,说明卸载成功,并且在虚拟机中抓包发现收报文的收到和回复的报文都是正确的。但是在对端物理机上抓包却发现dst_mac全为0。 我们猜测应该是卸载规则出现了问题,为验证结论,我们查看相关源码并进行分析:

通过源码可以发现dst_neigh正确获取,但是由于dst_neigh_lookup会为没有neighbor项的地址创建一个新的neighbor,导致值为0。(由于整个测试环境刚部署好,没有进行过任何通信,所以两端的neighbor是没有的)

仔细分析下offload规则下发的时机,第一个original方向的SYN报文从10.0.1.241->10.0.0.75:5001通过协议栈能转入到虚拟机,虚拟机发出reply方向的SYN+ACK报文10.0.0.75:5001->10.0.1.241,同时在Host的netfilter forward表会建立offload规则下发给硬件。这时链接两个方向的报文都进行了鉴权,conntrack项也变成established,形成完整的转发规则。

**但是reply方向的ip_dst 10.0.1.241的neighbor还是没有,原因在于协议栈上的报文还没真正发送触发arp流程。 **

针对上诉分析,由于flowtable offload并不支持icmp协议,我们先进行了ping探测让两端的neighbor项建立成功,然后再继续测试。此时发现,正式化硬件offload可以正常的工作。

|  提交patch:

针对conntrack offload 中neighbor无效导致卸载错误的情况,我们提交patch进行了修复。简单总结为:在获得无效neighbor的时候先不进行卸载:

Netfilter: nf_flow_table_offload: checkthe status of dst_neigh(git.kernel.org/pub/scm/lin…

NAT功能测试优化实践

接着,我们继续对flowtableoffload中NAT功能项进行了实操测试,对部分卸载规则问题进行了优化改善。

|  测试复现:

创建一台虚拟机,配置虚拟机地址为10.0.0.75,具有外部地址2.2.2.11。host创建user1的vrf,将虚拟机对应的VF representor mlx_pf0vf0以及PF mlx_p0加入到user vrf。PF对端连接物理机地址为1.1.1.7。Host就作为虚拟机和对端物理机之间的虚拟nat网关。

同样创建firewall规则,允许访问虚拟机的icmp和tcp 5001端口,并且把VFrepresentor port和PF port加入到flowtable做offload。

接着创建nat转发规则,dst ip address 2.2.2.11 dnat to 10.0.0.75, src ip address 10.0.0.75snat to 2.2.2.11。

开启netperf测试,1.1.1.7访问至2.2.2.11:5001。发现连接能成功建立,但是后续带宽值很低。

|  问题定位:

在Host上的确抓不到相应的报文,说明卸载成功,在虚拟机中抓包发现收报文的dst mac不正确,值同样也为0(测试代码没合入,无效neighbor的时候先不进行卸载的patch)。

由于original方向的SYN报文1.1.1.7访问2.2.2.11:5001转换成1.1.1.7到10.0.0.75:5001成功发送给了虚拟机,这时10.0.0.75对应的neighbor是存在的,不应该出现获取不到的情况。

我们猜测应该还是卸载规则出现了问题,查看源码进行分析:

通过源码可知,在NAT场景下original方向的tuple->dst_cache的device确实是mlx_pf0vf0,但是tuple->dst_v4却仍旧是原来的2.2.2.11,不是10.0.0.75。10.0.0.75应该通过remote_tuple->src_v4获取**。**

解决该问题后,我们再次开启netperf测试,1.1.1.7:32315访问2.2.2.11:5001。发现连接依然能成功建立,但是带宽还是跑不上来。

在虚拟机上抓包发现接收报文dst port异常为32315。即1.1.1.7: 32315到10.0.0.75: 32315。我们判断卸载规则仍存在其他问题,查看源码进行分析:

可以看到在DNAT场景下会将original方向的dst port改为reply方向的dstport即32315, 将reply方向的dst port改为original方向的source port。这个逻辑明显有误。

同样在SNAT下也存在类似的转换问题, 会将original方向的srcport改为reply方向的dst port, 将reply方向的src port改为original方向的source port。

举个例子,比如10.0.0.75:32200访问1.1.1.75:5001会将reply的报文改为1.1.1.75: 32200到2.2.2.11:32200。 所以NAT模式下的portmangle存在问题,正确的逻辑应该是:

  • **DNAT: **

original方向的dst port应该改为reply方向的src port;

reply方向的src port应改为original 方向的dst port。

  • SNAT:

Original方向的src port应该改为reply方向的dstprt;

Reply方向的dst port应该改为original方向的src port。

**|  提交patch: **

最终,针对NAT测试问题,我们也提交了相关patch进行修复:

① Netfilter: nf_flow_table_offload: fix incorrect ethernet dst address(git.kernel.org/pub/scm/lin…

② Netfilter: nf_flow_table_offload: fix the nat port mangle.(git.kernel.org/pub/scm/lin…

新特性开发:SDN网络下的Tunnel offload

我们发现flowtable hardware offload无法支持tunnel设备。对于SDN网络而言,tunnel是一项关键性的指标。 最终,我们从conntrack offload与NAT功能的优化修复过程中得到启发,在新思考的推动下,**与 Netfilter 维护者Pablo NeiraAyuso 和 Mellanox 驱动工程师Paul Blakey通力合作,共同开发出了tunnel 卸载的新特性。 **

以下是开发细节的详细介绍。

1、在Flowtable上设置tunnel device实现卸载

在tc flower softwarefilter规则中, 所有的tunnel meta match、tunnel decap action均设置在tunnel device的ingress qdisc上,只有在tunnel device 接收入口才能获取meta信息。

因此tc flower offload模式下的卸载规则也会follow这个逻辑,下发到tunnel device上。但是tunnel device都是虚拟的逻辑device,需要找到lower hardware device进行设置卸载——即采用indirect block的方式来实现。

首先驱动程序注册监听tunnel创建的事件。当tunnel被创建,驱动会给对应tunnel device设置一个tc flower规则的callback。通过这种indirect block的方式来实现tunnel device与hardware device的关联。

**|  提交patch: **

我们先提交了series(patchwork.ozlabs.org/cover/11430… )——在flow offload 中支持indirect block方式,主要包括以下patch:

① cls_api:modify the tc_indr_block_ing_cmd parameters.

② cls_api:remove the tcf_block cache

③ cls_api:add flow_indr_block_call function

④ flow_offload:move tc indirect block to flow offload

⑤ flow_offload:support get multi-subsystem block

引入上面的series后,flowtable就能通过indirect block卸载tunnel device。

①Netfilter: flowtable: addnf_flow_table_block_offload_init()(git.kernel.org/pub/scm/lin…

②Netfilter: flowtable: addindr block setup support(git.kernel.org/pub/scm/lin…

2、Tunnel 信息匹配及Action 设计

完成第一步后,flowtable便可以成功的将卸载规则设置到tunnel device上,但是此时还存在一个问题:无法支持tunnel信息匹配以及decap、encap操作。

针对这一问题,首先我们想到Linux内核在4.3版本中引入的轻量级隧道Lightweight tunneling,它提供了通过route方式设置tunnel属性的方法:创建隧道设备时指定external模式,利用路由设置的轻量级隧道通过tun设备发送报文。

Flowtable规则设置也是完全基于route信息去完成,沿着这一思路:tunnel信息也可以通过route信息获取。

|  提交patch:

我们提交了flowtable中tunnelmatch和encap/decap action的offloadpatches:

①Netfilter: flowtable: add tunnel match offload support(git.kernel.org/pub/scm/lin…

②Netfilter: flowtable: add tunnel encap/decap actionoffload support(git.kernel.org/pub/scm/lin…

3、Mlx5e在TC_SETUP_FT中支持Indirect block

接着,我们又发现了第3个问题:mlx5e驱动中flowtable offload的规则被指定到TC_SETUP_FT域中,但该驱动中并不支持indirect block

**|  提交patch: **

发现这一点后,我们向社区提交了patch实现该功能的完善:

① net/mlx5e:refactor indr setup block(git.kernel.org/pub/scm/lin…

②net/mlx5e:add mlx5e_rep_indr_setup_ft_cb support(git.kernel.org/pub/scm/lin…

4、Tunnel offload 功能验证

完成上述开发步骤后,我们也按照前文的测试思路进行了功能验证,确认功能的完善与准确性。

|  测试验证:

创建一台虚拟机,配置虚拟机地址为10.0.0.75,具有外部地址2.2.2.11。host创建user1的vrf,创建key 1000的gretap tunnel device tun1。将虚拟机对应的VF representor mlx_pf0vf0和tun1加入到user1 vrf。PF mlx_p0配置underlay地址172.168.152.75/24。PF对端连接物理机网卡配置地址172.168.152.208/24, 创建gretap tunnel tun,  tun设备的remote为172.168.152.75,key为1000,设置地址为1.1.1.7。 首先,虚拟机与对端物理机tun设备通过tunnel相互访问:

接着,创建firewall规则,允许访问虚拟机的icmp和tcp 5001端口,并且把VF representor port和tun 1隧道设备加入到flowtable做offload。 最后,创建NAT转发规则:dst ip address 2.2.2.11 dnat to 10.0.0.75、src ip address 10.0.0.75 snat to 2.2.2.11。

测试后最终确认各个功能完整正常,至此,我们实现了SDN网络下tunnel offload卸载的能力。

写在最后

以上是本项目涉及的部分核心问题,我们把这期间贡献的patch整理成了一份列表,希望能为开发者提供帮助,读者可以点击“阅读原文”阅览完整patch list。

Flow Offload开源技术为行业内带来了革命性的思路,但在技术的更新迭代过程中,一些新特性在实际应用上也会存在稳定性、兼容性等方面的问题。作为开源技术的同行者,UCloud一直积极探索、丰富开源技术功能,帮助提高开源技术稳定性。

_作者简介:文旭,UCloud虚拟网络平台研发工程师,Linux kernel network 活跃开发者,Netfilter flowtable offload 稳定维护者 _