Hướng tiếp cận DPDK trong tối ưu hiệu năng xử lý gói tin trên hệ thống gNodeB 5G

Bài viết giới thiệu một hướng tiếp cận mới, trong đó nền tảng Data Plane Development KIT (DPDK) được sử dụng kết hợp với phương pháp xử lý gói tin truyền thống để giải quyết vấn đề tồn tại về tải xử lý cao và giới hạn băng thông trong mạng truy nhập của hệ thống 5G.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Hướng tiếp cận DPDK tối ưu hiệu xử lý gói tin hệ thống gNodeB 5G Tăng Thiên Vũ*, Nguyễn Văn Thành, Nguyễn Chí Kiên, Lý Nguyễn Hồng Phúc, Phạm Xuân Trà, Bùi Việt Hùng, Vũ Tuấn Đức Dự án trạm thu phát sóng 5G, Dự án 5G gNodeB - Tổng công ty Công nghiệp Công nghệ cao Viettel Email: vutt6@viettel.com.vn (Control Plane) Mặt phẳng người dùng UP (User Plane) Mặt phẳng UP yêu cầu cao tốc độ xử lý lưu lượng gói tin, mặt phẳng CP yêu cầu nhiêu độ phức tạp giao thức báo hiệu Tóm tắt — Để đáp ứng yêu cầu ngày cao lưu lượng liệu người dùng, tăng nhanh số lượng người dùng đa dạng loại hình dịch vụ, hệ thống mạng di động hệ thứ (5G) gặp phải giới hạn toán xử lý số lượng gói tin lớn tốc cao Các phương án tiếp cận truyền thống cho thấy nhược điểm băng thông thấp tải cao lõi xử lý CPU Ở báo giới thiệu hướng tiếp cận mới, tảng Data Plane Development KIT (DPDK) sử dụng kết hợp với phương pháp xử lý gói tin truyền thống để giải vấn đề tồn tải xử lý cao giới hạn băng thông mạng truy nhập hệ thống 5G Xử lý gói tin theo phương pháp truyền thống hệ thống 5G gNodeB sử dụng kỹ thuật gửi nhận Socket API (Application Programming Interface) Socket API với tảng Linux Kernel Network Stack cung cấp tập hợp nhiều giao thức mạng, hỗ trợ hiệu cho giao diện CP Cũng việc hỗ trợ nhiều giao thức nhiều tầng (stack) cộng thêm sử dụng chế truyền thông ngắt (interrupt-driven) dẫn đến mặt phẳng UP, cách tiếp cận sử dụng socket lộ rõ điểm yếu tốc độ xử lý gói tin tải xử lý xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) DPDK không hoạt động giống với network stack, việc giữ cho trình xử lý đơn giản kết hợp với áp dụng kỹ thuật Poll Mode Driver quản lý nhớ theo dạng Huge-page giúp DPDK xử lý gói tin hiệu so với phương pháp Socket API Keywords- DPDK, xử lý gói tin, trạm thu phát sóng 5G, NGRAN, gNodeB I GIỚI THIỆU Kiến trúc mạng di động hệ thứ (5G) chia thành ba thành phần Hình 1, gồm: Mạng lõi (Core Network), Mạng truyền dẫn (Transportation Network) Mạng truy cập (Radio Access Network – RAN) [2] Mạng 5G hỗ trợ ba loại dịch vụ bản, là: enhanced Mobile Broadband (eMBB), massive Machine Type Communications (mMTC) Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC) Để đáp ứng yêu cầu loại dịch vụ này, chuẩn 5G định nghĩa giao diện hệ cho Mạng truy nhập RAN, gọi NG - Next Generation RAN Trạm thu phát sóng 5G sử dụng thiết kết NG-RAN gọi gNodeB gNodeB cấu thành từ ba thành phần Hình 2, gồm: CU (Central Unit), DU (Distributed Unit) RU (Radio Unit) Trong kết nối gNodeB Mạng truyền dẫn kết nối backhaul, cung cấp kết nối CU Mạng lõi Kết nối CU DU gọi midhaul, kết nối DU RU fronthaul Hình Kết nối khối bên 5G-RAN Trong báo này, mô tả cách tiếp cận mới, sử dụng kết hợp cơng nghệ DPDK Socket API để giải vấn đề giới hạn băng thông xử lý mặt phẳng UP gNodeB Phần lại báo tổ thành ba phần lớn Phần II cung cấp thông tin cách tiếp cận tại, mô tả hướng tiếp cận sử dụng DPDK cho kết nối backhaul midhaul Phần III tổng hợp kết thử nghiệm kỹ thuật DPDK hệ thống 5G mà đạt Cuối cùng, phần kết luận báo thể mục IV II A Cách tiếp cận truyền thống – Socket API cho gNodeB Hình mơ tả kiến trúc giao diện backhaul midhaul gNodeB Trong đường backhaul, Hình Mơ hình mạng di động hệ thứ - 5G Các kết nối backhaul, midhaul fronthaul chia thành mặt phẳng, gồm: Mặt phẳng điều khiển CP ISBN 978-604-80-5958-3 DPDK TRONG XỬ LÝ GÓI TIN TRONG 5G GNODEB 226 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) cổng socket mở để truyền nhận liệu tuyến lên (uplink) tuyến xuống (downlink) Tương tự đường midhaul, cổng socket mở giao diện lo loopback (một giao diện mạng đặc biệt hệ điều hành Linux, gói tin gửi vào giao diện này, thay gửi cơng mạng, gói tin gửi ngược lại cho hệ điều hành) tiếp nhận liệu Chi tiết kiến trúc DPDK tìm thấy [6] Ở chế socket-based, gói tin truyền nhận dựa chế kiện ngắt (interrupt) Ngay các kỹ thuật nâng cấp liên quan đến xử lý ngắt NAPI [3] không đáp ứng yêu cầu ngày tăng băng thông giao diện mạng Để khắc phục điểm yếu cách tiếp cận socket, DPDK sử dụng PMD (Poll Mode Driver) Đối với PMD, thay chờ ngắt thơng báo kiện gói tin đến, PMD tiến hành đọc liên tục gói tin cổng mạng Với cách tiếp cận toàn liệu CP UP kết nối backhaul midhaul cần phải qua Linux Network Stack Nhược điểm phương án xuất điểm giới hạn băng thông socket không phù hợp cho truyền nhận lượng liệu lớn mặt phẳng UP Về phần nhớ, để liệu gửi từ phần cứng lên không gian người dùng cách hiệu quả, DPDK sử dụng thêm kỹ thuật quản lý nhớ nâng cao Linux, gọi huge-page Thông thường Linux quản lý nhớ phương pháp phân tách nhớ thành vùng địa vật lý liên tục với dung lượng KB, gọi page Việc page chia thành 4K khiến độ phân mảnh nhớ cao dẫn đến hiệu trình DMA - Direct Memory Access thấp Linux cung cấp thêm chế quản lý page lớn 4K, gọi huge-page DPDK tận dụng chế huge-page để tăng hiệu q trình truyền nhận gói tin phần mềm phần cứng Hình Kết nối Backhaul Midhaul sử dụng socket Phần báo mô tả cách mà DPDK áp dụng vào hệ thống 5G gNodeB để giải vấn đề liên quan đến tốc độ xử lý gói tin tải xử lý cao phương pháp Socket API B Kết nối backhaul sử dụng công nghệ DPDK DPDK - Data Plane Development KIT Intel lần đầu giới thiệu vào năm 2010 Mã nguồn mở tập hợp thư viện công cụ sử dụng cho xử lý gói tin hiệu tảng kiến trúc chip Intel [1], góp phần khai sinh hướng tiếp cận hoàn toàn cho trình xử lý gói tin hệ thống máy tính Những điểm đặc biệt kiến trúc dẫn đến hiệu đáng kinh ngạc DPDK là: kernel-bypass (bỏ qua xử lý gói tin kernel), kỹ thuật polling xử lý ngắt quản lý nhớ dạng hugepage Hình Sử dụng DPDK cho kết nối backhaul Hình mơ tả vị trí mà DPDK áp dụng kết nối backhaul, thay ứng dụng CU gửi nhận gói tin cho mạng lõi thơng qua API (Application Programming Interface) socket CU gửi nhận gói tin thơng qua API DPDK Sự hiệu việc áp dụng DPDK cho kết nối backhaul thể phần III báo Ngồi ra, thân DPDK khơng phải chồng giao thức mạng (network stack) [4], nhược điểm q trình sử dụng DPDK hỗ trợ đủ giao thức phức tạp mặt phẳng CP CU Để giải vấn đề này, kỹ thuật DPDK khác thêm vào giao diện backhaul DPDK, trình bày phần C Sử dụng kỹ thuật DPDK KNI cho mặt phẳng CP kết nối backhaul Trong phần trước, DPDK sử dụng để thay socket cho giao diện backhaul giải hạn chế tốc độ xử lý gói tin tải xử lý cho mặt phẳng UP Để đáp ứng yêu cầu độ phức tạp giao thức mặt phẳng CP, kỹ thuật KNI (Kernel Network Interface) DPDK áp dụng Hình Các yếu tố khiến DPDK khác biệt so với Linux Netwwork Stack Hình mơ tả thành phần hệ thống DPDK [5], nhận thấy thay gói tin truyền qua Linux Kernel network stack, gói tin gửi thẳng lên không gian người dùng (user space), nơi mà ứng dụng trực ISBN 978-604-80-5958-3 Ý tưởng KNI biến cổng mạng dùng cho DPDK hỗ trợ thêm API Socket Để thực 227 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) ý tưởng này, liệu tầng ứng dụng DPDK sau nhận từ NIC gửi nhận đến khối chức nhân Linux cộng đồng DPDK phát triển (rte_kni.ko), khối chức đăng ký với Linux giao diện Ethernet ảo Dữ liệu gói tin DPDK thơng qua giao diện ảo gửivào Linux Kernel Stack, qua người dùng dùng socket API cho cổng mạng dùng cho DPDK Trong phần mô tả phương án sử dụng kết hợp DPDK Linux Stack cho giao diện midhaul Trong mặt phẳng CP midhaul tiếp tục sử dụng socket cổng lo, mặt phẳng UP sử dụng tảng DPDK Ring-buffer Hình mơ tả kiến trúc giao diện midhaul sử dụng phối hợp hai kỹ thuật III Như vậy, với cổng mạng có chạy DPDK, kỹ thuật KNI hỗ trợ API socket cho mặt phẳng CP Để hỗ trợ cho mặt phẳng UP, lọc gói tin thiết kế đó: gói tin măt phẳng CP giữ nguyên gửi lại cho khối KNI, gói tin mặt phẳng UP gửi trực tiếp cho ng dụng Hình mơ tả thiết kế giao diện backhaul sử dụng DPDK kỹ thuật KNI kết hợp lọc gói tin Hình mơ tả kiến trúc chung cho toàn hệ thống kết nối mặt phẳng CP UP gNodeB sử dụng DPDK Trong hình vẽ này, tồn kỹ thuật mô tả phần trước áp dụng, gồm: DPDK KNI backhaul, DPDK Ring buffer midhaul Hình Kiến trúc đầy đủ kết nối backhaul midhaul 5G-RAN Kiến trúc thử nghiệm hệ thống 5G dự án 5G thuộc Tổng công ty CN CNC Viettel thực Kết đo đạc giao diện thể thống kê thực hệ thống sử dụng chip Intel Xeon Gold, nhớ 128GB, NIC Intel X710 Fortville chạy hệ điều hành CentOS7 Phiên DPDK cho thử nghiệm 19.11.2 Hình Sử dụng kỹ thuật DPDK KNI cho kết nối backhaul D Áp dụng kỹ thuật DPDK Ring-buffer cho giao diện midhaul Như nhắc đến phần trước, cách tiếp cần truyền thống, việc áp dụng socket cho kết nối backhaul, kết nối midhaul CU DU sử dụng API socket Khác với kết nối backhaul, kết nối midhaul sử dụng API socket giao diện lo (loopback) Linux Đặc điểm giao diện không kết nối đến phần cứng công mạng (NIC, Network Interface Card), việc không kết nối đến phần cứng dẫn đến băng thông socket cổng loopback cao nhiều so với cổng mạng thật giao diện backhaul Mặc dù gói tin khơng cần gửi/nhận từ phần cứng cần qua Linux Kernel Network Stack Đối với mặt phẳng UP, lượng liệu truyền lớn dẫn đến qua Kernel Stack gây tải cao cho khối xử lý trung tâm (CPU) Bài thử nghiệm thực với băng thông 1.8Gpbs toàn hệ thống, tải xử lý CPU kết nối backhaul (Hình 9) kết nối midhaul (Hình 10) đo với kịch kích thước gói tin khác Hình thể tải xử lý luồng nhận liệu kết nối backhaul Nhận thấy, băng thông 1.8Gbps, hệ thống sử dụng Socket API cần tải CPU nhiều so với trường hợp sử dụng DPDK Hình So sánh tải luồng (thread) chương trình nhận gói tin kết nối backhaul Tương tự kết nối midhaul, điều kiện băng thông thử nghiệm 1.8Gbps, tải CPU sử dụng cho nhận gói tin DU chạy Socket API cao nhiều sử dụng DPDK Hình Sử dụng DPDK ring buffer cho kết nối midhaul ISBN 978-604-80-5958-3 GIẢI PHÁP TOÀN DIỆN CHO MẶT PHẲNG CU VÀ RU TRONG 5G GNODEB 228 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Ngồi ra, kết thử nghiệm cho thấy rằng, tải xử lý hệ thống sử dụng Socket API phụ thuộc nhiều vào kích thước gói tin Cùng băng thơng, xử lý gói tin có kích thước bé tốn nhiều tải CPU so với gói tin có kích thước lớn Vấn đề không gặp phải sử dụng DPDK Bản thân công nghệ DPDK nhánh công nghệ giảm tải (offloading), tương lai không xa, để phá vỡ thêm nhiều giới hạn cho 5G hệ mạng di động tiếp theo, hướng tiếp cận offloading, đặc biệt hardware offloading cần nghiêm túc đánh giá thử nghiệm Trong báo này, phương án sử dụng DPDK RingBuffer giải vấn đề băng thông cho mặt phẳng UP CU DU Song song đó, phương án cịn có nhược điểm khối logic CU DU phải triển khai máy tính vật lý, nhược điểm hạn chế độ linh hoạt phương án triển khai cần phải cân nhắc nâng cấp nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hình 10 So sánh tải luồng (thread) chương trình nhận gói tin kết nối backhaul [2] [3] IV KẾT LUẬN Với phát triển mạnh mẽ mạng di động, đặc biệt mạng di động hệ thứ 5, phương pháp tiếp cận truyền thống bắt đầu xuất giới hạn, việc ứng dụng kỹ thuật xử lý gói tin DPDK góp phần phá vỡ giới hạn [4] Bài báo mơ tả kết việc áp dụng DPDK cho hệ thống 5G gNodeB giao diện backhaul midhaul Bài báo mơ tả kỹ thuật để phối hợp hoạt động phương pháp DPDK phương pháp truyền thống Sự kết hợp giúp tận dụng điểm mạnh khác phương án [6] ISBN 978-604-80-5958-3 [5] 229 Xiaoban Wu, Peilong Li, Yongyi Ran, Yan Luo “Network measurement for 100 GbE network links using multicore processors[J]” Future Generation Computer Systems, 2017 3GPP 5G, “5G; NG-RAN; Architecture description,” ETSI TS 138 401 V15.2.0, July 2018 Kai Zhu, Xíngshu Chen, Jun Tang, “A Method of Adaptive Selection of Hybrid Interrupt-NAPI Scheme”, ICCIIS, 2010 Cerrato I, Annarumma M, Risso F Supporting Fine-Grained Network Functions through Intel DPDK[C].Third European Workshop on Soft ware Defined Networks IEEE Computer Society, 2014:1-6 Bi H, Wang Z H DPDK-based Improvement of Packet Forwarding[J] 2016, 7:01009 W R Intel, High-performance multi-core networking software design options, White Paper 2011  ... thiệu vào năm 2010 Mã nguồn mở tập hợp thư viện công cụ sử dụng cho xử lý gói tin hiệu tảng kiến trúc chip Intel [1], góp phần khai sinh hướng tiếp cận hồn tồn cho q trình xử lý gói tin hệ thống. .. mô tả cách mà DPDK áp dụng vào hệ thống 5G gNodeB để giải vấn đề liên quan đến tốc độ xử lý gói tin tải xử lý cao phương pháp Socket API B Kết nối backhaul sử dụng công nghệ DPDK DPDK - Data Plane... hệ thứ 5, phương pháp tiếp cận truyền thống bắt đầu xuất giới hạn, việc ứng dụng kỹ thuật xử lý gói tin DPDK góp phần phá vỡ giới hạn [4] Bài báo mô tả kết việc áp dụng DPDK cho hệ thống 5G gNodeB