用户态TCP协议栈的调研

一、各种用户态socket的对比

1、MTCP

简单介绍：

韩国高校的一个科研项目，在DPDK的2016年的技术开发者大会上有讲，所以intel将这个也放到了官方上，所以一般搜索DPDK的用户态的协议栈的时候就能够搜索到了这个；

特点：

有准确的测试数据，我们本地也测试了其性能：在EP的单核上可以达到4W connect/sec 。然后因为内存限制，连接数当时是60W连接占用了18G的内存；

优点：

1。有准确的性能测试数据

2。有一定的关注度，有开源社区；

3. 自己实现了一套epoll+socket。与内核的epoll在同一个线程不能同时使用。

4.协议栈全面，包含了二三层的逻辑

5. 基本兼容传统的socket操作。代码改动不算大；

缺点：

1。稳定性不高，中途出现了多次异常退出；

2。内部代码逻辑清晰度还有些欠缺；

3。内存占用太大，例如接受的buff都是每一个连接一个、

4。内部有大量的锁操作~逻辑比较复杂；

5。只支持TCP协议

6.内部有很多内存copy操作。网卡数据到协议栈copy一次，协议栈缓存时copy一次，协议栈到用户态又需要copy一次数据；

目前如果要嵌入系统中需要做一下几个方面的工作：

1。因为我们已经有自己的二三层逻辑，所以需要将MTCP原来的二三层给拆除，只保留TCP；

2。需要针对其稳定性进行优化，解决各种异常退出的问题；

3。需要针对其内存占用进行优化；

4。如果需要支持系统epoll和mtcp epoll兼容需要进行逻辑框架的改进~

5。如果需要支持其他socket的时候，需要重新设计并加入udp+raw一类的socket的支持；

6. 如果需要支持多个应用同时使用MTCP的时候也需要改进MTCP

总结：

MTCP不支持多进程模型，而且在稳定性差有一些问题，然后对UDP与RAW不支持；需要进行一系列的修改后才能进入我们系统；

2.libuinet BSD协议栈用户态的库

libuinet是开源社区维护的一个使用openbsd内核协议栈编译出来的一个协议栈的库，使用的bsd的原生协议栈。

优点：

1。来源于BSD协议栈，功能支持全面，所以socket，ipv4 ipv6都支持；

2。来源于BSD协议栈，稳定性与社区活跃性都是不错的；

3。bsd协议栈提供接口与linux socket编程接口兼容性好；

缺点：

1。代码太复杂，因为是从bsd代码中porting过来的，所以有大量对我们来说无用的代码；

2。不支持DPDK。而且二三四层绑定比较紧密~想拆出来不太容易；

3。也是线程模型~与MTCP有同样的缺点；

4。除了协议栈还有大量中间代码（例如协议栈创建了4个线程，而且这个线程不是用标准的pthread创建，也就是它自己还带了一套线程库）

5. 性能没有测试数据，以及内存占用等都没有对应的数据~而且如果一旦出现性能问题~因为代码过与复杂，优化上风险比较大；

总结：bsd用户态协议栈功能强大，社区活跃，但是复杂度太高，而且没有现成的与dpdk对接的例子，移植成本比较高，性能上没有准确数据~如果有性能问题，优化难度较大；

3. 中国人写的tcp协议栈

通过不断的搜索和对比代码，找到了一个简洁版本的 TCP，是中国的一个热爱开源事业的人写的~

Xiaochen Wang <wangxiaochen0@gmail.com> 搜索过内核提交PATCH 华人中排100+

通过分析代码与其实现：

优点：

1。代码简洁，代码实现逻辑简单，没有太多复杂的信息，实现原理与内核一致；

2。代码量较少，总共TCP的代码连注释就在4K行左右~公司私有维护可以hold住。

3。功能全，支持TCP SOCKET UDP SOCKET RAW socket；

4。兼容性好~设计的api接口基本与原来的socket接口一致，便于迁移；

5。通过代码优化可以做到网卡到用户态0 copy，提升效率；

6。内存占用小~测试过1W连接不足1M的内存占用。

缺点：

1。有些查找算法需要优化~；例如查找流表；

2。也不支持DPDK（目前已经修改好DPDK对接的demo）

3。不支持多线程的协议栈（数据结构的设计的时候没有考虑线程安全）

4。只支持阻塞模型的socket。不支持epoll和非阻塞的socket调用（目前已经有设计思路移植epoll）

5。作者已经不维护，性能还没有测试过。

总结：

代码简单，便于自己维护，优化，开发~但是因为没有开源社区的支持，需要自己熟悉代码，测试过程中没有出现异常挂掉的情况，但需要自己移植epoll上去，才可以实现多路IO复用；

4.其他用户态socket

调研了其他用户态的socket；

https://software.intel.com/en-us/blogs/2015/06/12/user-space-networking-fuels-nfv-performance

主要有

1。mirage-tcpip 这种不是C/C++语言实现；

2。net-next-nuse linux kernel stack的用户态实现；类似于bsd 的stack而且依赖于netmap；

3。LWIP UIP完全的嵌入式设计模式~没有socket这层概念；而且代码效率没有考虑，查找全部都是链表比较。

4。picotcp 与上面的lwip与UIP类似，但代码简洁~支持socket，但socket的使用风格与linux socket的风格差别很大；

总结：其他用户态的socket使用上差别与原来linux风格的差别较大~不方便兼容原来的程序；而且都需要修改才能支持DPDK，其中picotcp还是比较活跃的开源项目；

二、关于用户态socket使用上的总结

目前所有的用户态的socket程序，都一样都是协议栈是通过一个线程来支持的。所以APP都需要运行自己的tcp协议栈（四层协议栈），然后通过线程间通信方式将数据传输到用户的业务线程中；

总结起来都有大致如下的问题：

1。都是线程协议栈模型，而且这个协议栈线程包含了二三层；

2。目前对于多进程模型都没有较好的解决方案；

3。epoll与系统的epoll不能同时使用，有些多路复用没有实现；

三、关于用户态socket模型的思考

其实我们二三层转发（其中包含NAT）都有了自己的解决方案；所以我们不需要在用户态socket这一层去再实现一次二三层~；

如果有多进程模型更好的支持，应用程序编写的时候就可以完全不用关心到底是用户态的socket，还是kernel太的socket，使用成本将会更低~

所以我提出这样的模型：

1。用户态socket是一个单独的进程，它通过ring与dpdk server进行数据交互~

2。app通过信号量与ring与用户态socket进行交互，通过dpdk的ring，可以做到数据共享，减少copy；

3。通过信号量实现数据通知机制~从而实现epoll。

优势：应用程序本身只启动应用程序的业务，而不需要启动自己的协议栈。编程模型与之前linux kernel态的编程模型一直，应用开发者无需关心用户态socket的实现；而且通过动态库的方式可以实现，一个bin加载不同的so~就可以实现用户态socket与kerenl socket自由切换~；

层次分明，不用每个app一个协议栈，可以节省cpu的消耗；

缺点：目没有现有模型支持，需要大量的代码修改开发工作；开发周期较长；

另一种思路，继续继承原来类似于MTCP这种模型。所有的进程都有一个用户态socket协议栈的线程，每个用户态socket线程一个ring，与dpdk server进行数据交互；

优点：

1。修改代码量会比之前的方案少点儿~。就可以支持多进程的模型；

2。代码逻辑更加简单；

3。性能上可以保证，因为每个app一个协议栈，而这个协议栈线程会绑定cpu，所以性能上，不同APP他们的协议栈性能是不会互相干扰的；

缺点：

1。因为每个app一个协议栈线程，app挂了，协议栈也要对应重启；

2。每个app一个协议栈线程，协议栈线程会绑定CPU，所以比较浪费CPU的资源；

3。编程模型与之前的kernel socket编程模型有差别了，需要添加额外的启动socket线程的方法；

总结：

两种方法各有优缺点，主要看具体的应用场景。而且通过修改代码可以支持epoll多路I.O的机制。多个socket可以在一个线程中进行处理~

四、关于用户态socket epoll与系统epoll兼容的思考

现在的用户态的epoll与系统的epoll不能同时使用主要原因在与epoll_wait这个函数是一个阻塞的函数，在同一个线程中不可能同时处理两个阻塞的请求；

所以思路有两种：

1。把用户态socket epoll模拟成系统的epoll。

用户态epoll实现，是通过系统的信号量来实现的阻塞与唤醒，如果把这种信号量的通知机制改成fd实现，例如用户态socket事件通知是通过unix socket来实现的，就可以使用系统的epoll监听；从而把用户态的epoll变成系统态的epoll。

2。把系统态的epoll变成用户态的epoll；

系统态的epoll的阻塞。事件等待是通过系统的epoll_wait来实现的事件等待，如果我们启动一个线程来专门监听epoll_wait的事件。等epoll_wait成功以后通过信号量通知到用户态的epoll事件来实现，系统态epoll转换成用户态的epoll；

五、关于流表查询加速的优化的思考

现在我们有的产品的server中其实已经有了流表，可以在dpdk server 把报文送上来的时候，在mbuf的私有字段中就可以带上来流表hash的结果（index）。可以减少用户态socket查询flow的时间，提高速度，目前只是一种思路；

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