Vector Packet Process (VPP) 是一个高性能的框架，用于在用户空间处理数据包。得益于 FreeBSD 基金会和 RGNets 的项目，我获得资助将 VPP 移植到 FreeBSD，并且非常高兴与《FreeBSD 期刊》的读者分享一些基本的使用方法。
VPP 使得转发和路由应用程序可以在用户空间编写，并提供一个 API 可控的接口。通过 DPDK（在 Linux 上）和 DPDK 及 netmap（在 FreeBSD 上），VPP 实现了高性能的网络处理。这些 API 允许直接的零拷贝数据访问，并可用于创建可以显著超过主机转发性能的转发应用程序。
VPP 是一个完整的网络路由器替代方案，因此需要一些主机配置才能使用。本文展示了如何在 FreeBSD 上使用 VPP 的完整示例，大多数用户应该能够通过自己的虚拟机来跟随这些步骤。VPP 在 FreeBSD 上也可以运行在真实硬件上。
本文将介绍如何在 FreeBSD 上使用 VPP，并给出设置示例，展示如何在 FreeBSD 上完成各种任务。VPP 的资源可能较难找到，项目的文档质量很高，可以访问https://fd.io获取。
构建一个路由器
VPP 可以用于许多用途，其中最常见且最容易配置的是作为某种形式的路由器或桥接器。以将 VPP 用作路由器为例，我们需要构建一个包含三个节点的小型网络——一个客户端，一个服务器和一个路由器。
为了展示如何在 FreeBSD 上使用 VPP，我将构建一个最小开销的示例网络。你只需要 VPP 和一个 FreeBSD 系统。我还将安装 iperf3，以便我们能够生成并观察通过我们的路由器传输的一些流量。
在具有最新 Ports 的 FreeBSD 系统中，可以使用 pkg 命令安装我们所需的两个工具，如下所示：
host # pkg install vpp iperf3
为了为我们的网络创建三个节点，我们将利用 FreeBSD 最强大的功能之一——VNET jail。VNET jail为我们提供了完全隔离的网络堆栈实例，它们的操作方式类似于 Linux 的网络命名空间（Network Namespaces）。为了创建一个 VNET，我们需要在创建 jail 时添加vnet选项，并传递它将使用的接口。
最后，我们将使用epair接口连接我们的节点。epair接口提供了以太网电缆两端的功能——如果你熟悉 Linux 上的veth接口，它们提供了类似的功能。
我们可以通过以下 5 个命令构建我们的测试网络：
host # ifconfig epair create
epair0a
host # ifconfig epair create
epair1a
# jail -c name=router persist vnet vnet.interface=epair0a vnet.interface=epair1a
# jail -c name=client persist vnet vnet.interface=epair0b
# jail -c name=server persist vnet vnet.interface=epair1b
在这些 jail 命令中需要注意的标志是persist，如果没有这个选项，jail 将会因为没有运行进程而自动删除；vnet使这个 jail 成为一个 VNET jail；以及vnet.interface=，它将指定的接口分配给 jail。
当一个接口被移到新的 VNET 时，它的所有配置都会被清除——这是需要注意的，因为如果你配置了一个接口然后将其移到 jail，可能会困惑于为什么一切都不工作。
设置对等端
在转到 VPP 之前，我们先设置网络的客户端和服务器端。每一方都需要分配一个 IP 地址，并将接口设置为启用状态。我们还需要为客户端和服务器 jail 配置默认路由。
host # jexec client
# ifconfig
lo0: flags=8008<LOOPBACK,MULTICAST> metric 0 mtu 16384
options=680003<RXCSUM,TXCSUM,LINKSTATE,RXCSUM_IPV6,TXCSUM_IPV6>
groups: lo
nd6 options=21<PERFORMNUD,AUTO_LINKLOCAL>
epair0b: flags=1008842<BROADCAST,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST,LOWER_UP> metric 0
mtu 1500
options=8<VLAN_MTU>
ether 02:90:ed:bd:8b:0b
groups: epair
media: Ethernet 10Gbase-T (10Gbase-T <full-duplex>)
status: active
nd6 options=29<PERFORMNUD,IFDISABLED,AUTO_LINKLOCAL>
# ifconfig epair0b inet 10.1.0.2/24 up
# route add default 10.1.0.1
add net default: gateway 10.1.0.1
host # jexec server
# ifconfig epair1b inet 10.2.0.2/24 up
# route add default 10.2.0.1
add net default: gateway 10.2.0.1
我们的客户端和服务器 jail 现在已经有了 IP 地址，并且配置了通向 VPP 路由器的路由。
Netmap 要求
在我们的示例中，我们将使用 VPP 与 Netmap，Netmap 是一个高性能的用户空间网络框架，作为 FreeBSD 的默认组件提供。使用 Netmap 之前，接口需要进行一些配置——接口需要处于启用状态，并且需要配置promisc选项。
host # jexec router
# ifconfig epair0a promisc up
# ifconfig epair1a promisc up
现在我们可以开始使用 VPP 了！
VPP 的基本命令
VPP 非常灵活，提供通过配置文件、命令行接口和具有成熟 Python 绑定的 API 进行配置。VPP 需要一个基础配置文件，告诉它从哪里获取命令，以及它使用的控制文件的名称（如果这些文件不是默认的）。我们可以在命令行中将一个最小配置文件作为 VPP 的参数之一。对于这个示例，我们让 VPP 进入交互模式——提供给我们一个 CLI，并告诉 VPP 只加载我们将使用的插件（netmap），这是一个合理的默认设置。
如果我们不禁用所有插件，我们将需要配置机器使用 DPDK，或者单独禁用该插件。禁用插件的语法与启用 netmap 插件的语法相同。
host # vpp “unix { interactive} plugins { plugin default { disable } plugin
netmap_plugin.so { enable } plugin ping_plugin.so { enable } }”
_______ _ _ _____ ___
__/ __/ _ \ (_)__ | | / / _ \/ _ \
_/ _// // / / / _ \ | |/ / ___/ ___/
/_/ /____(_)_/\___/ |___/_/ /_/
vpp# show int
Name Idx State MTU (L3/IP4/IP6/MPLS)
Counter Count
local0 0 down 0/0/0/0
如果一切设置正确，您将看到 VPP 的横幅和默认的 CLI 提示符（vpp#）。
VPP 命令行界面提供了很多选项，用于创建和管理接口、像桥接一样的组、添加路由以及用于检查 VPP 实例性能的工具。
接口配置命令的语法类似于 Linux 的 iproute2 命令——对于来自 FreeBSD 的用户来说，这些命令可能稍显陌生，但一旦开始使用，它们还是相当清晰的。
我们的 VPP 服务器还没有配置任何主机接口，show int只列出了默认的local0接口。
要在 VPP 中使用我们的 netmap 接口，我们需要先创建它们，然后再进行配置。
创建命令允许我们创建新的接口，我们使用netmap子命令和主机接口。
vpp# create netmap name epair0a
netmap_create_if:164: mem 0x882800000
netmap-epair0a
vpp# create netmap name epair1a
netmap-epair1a
每个 netmap 接口都以netmap-为前缀创建。接口创建完成后，我们可以配置它们以供使用，并开始将 VPP 用作路由器。
vpp# set int ip addr netmap-epair0a 10.1.0.1/24
vpp# set int ip addr netmap-epair1a 10.2.0.1/24
vpp# show int addr
local0 (dn):
netmap-epair0a (dn):
L3 10.1.0.1/24
netmap-epair1a (dn):
L3 10.2.0.1/24
命令 show int addr（show interface address 的简写）确认了我们的IP地址分配已经成功。然后，我们可以将接口启用：
vpp# set int state netmap-epair0a up
vpp# set int state netmap-epair1a up
vpp# show int
Name Idx State MTU (L3/IP4/IP6/MPLS)
Counter Count
local0 0 down 0/0/0/0
netmap-epair0a 1 up 9000/0/0/0
netmap-epair1a 2 up 9000/0/0/0
配置好接口后，我们可以通过使用 ping 命令来测试 VPP 的功能：
vpp# ping 10.1.0.2
116 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=7.9886 ms
116 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=10.9956 ms
116 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=4 ttl=64 time=2.6855 ms
116 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=5 ttl=64 time=7.6332 ms
Statistics: 5 sent, 4 received, 20% packet loss
vpp# ping 10.2.0.2
116 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=5.3665 ms
116 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=8.6759 ms
116 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=4 ttl=64 time=11.3806 ms
116 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=5 ttl=64 time=1.5466 ms
Statistics: 5 sent, 4 received, 20% packet loss
如果我们跳到客户端 jail，我们可以验证 VPP 正在充当路由器：
client # ping 10.2.0.2
PING 10.2.0.2 (10.2.0.2): 56 data bytes
64 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=0 ttl=63 time=0.445 ms
64 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.457 ms
64 bytes from 10.2.0.2: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.905 ms
^C
--- 10.2.0.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 0.445/0.602/0.905/0.214 ms
作为初始设置的最后一步，我们将在服务器 jail 中启动一个 iperf3 服务器，并使用客户端进行 TCP 吞吐量测试。
server # iperf3 -s
client # iperf3 -c 10.2.0.2
Connecting to host 10.2.0.2, port 5201
[ 5] local 10.1.0.2 port 63847 connected to 10.2.0.2 port 5201
[ ID] Interval Transfer Bitrate Retr Cwnd
[ 5] 0.00-1.01 sec 341 MBytes 2.84 Gbits/sec 0 1001 KBytes
[ 5] 1.01-2.01 sec 488 MBytes 4.07 Gbits/sec 0 1.02 MBytes
[ 5] 2.01-3.01 sec 466 MBytes 3.94 Gbits/sec 144 612 KBytes
[ 5] 3.01-4.07 sec 475 MBytes 3.76 Gbits/sec 0 829 KBytes
[ 5] 4.07-5.06 sec 452 MBytes 3.81 Gbits/sec 0 911 KBytes
[ 5] 5.06-6.03 sec 456 MBytes 3.96 Gbits/sec 0 911 KBytes
[ 5] 6.03-7.01 sec 415 MBytes 3.54 Gbits/sec 0 911 KBytes
[ 5] 7.01-8.07 sec 239 MBytes 1.89 Gbits/sec 201 259 KBytes
[ 5] 8.07-9.07 sec 326 MBytes 2.75 Gbits/sec 0 462 KBytes
[ 5] 9.07-10.06 sec 417 MBytes 3.51 Gbits/sec 0 667 KBytes
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval Transfer Bitrate Retr
[ 5] 0.00-10.06 sec 3.98 GBytes 3.40 Gbits/sec 345 sender
[ 5] 0.00-10.06 sec 3.98 GBytes 3.40 Gbits/sec receiver
iperf Done.
VPP 分析
现在我们已经通过 VPP 发送了一些流量，show int 命令的输出包含了更多信息：
vpp# show int
Name Idx State MTU (L3/IP4/IP6/MPLS) Counter Count
local0 0 down 0/0/0/0
netmap-epair0a 1 up 9000/0/0/0 rx packets 4006606
rx bytes 6065742126
tx packets 2004365
tx bytes 132304811
drops 2
ip4 4006605
netmap-epair1a 2 up 9000/0/0/0 rx packets 2004365
rx bytes 132304811
tx packets 4006606
tx bytes 6065742126
drops 2
ip4 2004364
接口命令现在给出了通过 VPP 接口传输的字节和数据包的摘要。这在调试流量如何流动时非常有用，特别是当你的数据包丢失时。
VPP 中的 V 代表向量（vector），这在项目中有两层含义。VPP 旨在使用向量化指令加速数据包处理，同时它还将一组数据包打包成向量，以优化处理。其理论是将一组数据包一起通过处理图，从而减少缓存争用并提供最佳性能。
VPP 提供了许多工具来查询数据包处理过程中的情况。深度调优超出了本文的讨论范围，但一个了解 VPP 内部发生情况的初步工具是运行时命令。
运行时数据会在每个向量通过 VPP 处理图时收集，记录每个节点的传输时间以及处理的向量数量。
要使用运行时工具，最好有一些流量。可以像这样启动一个长时间运行的 iperf3 吞吐量测试：
client # iperf3 -c 10.2.0.2 -t 1000
现在在 VPP jail 中，我们可以清除迄今为止收集到的运行时统计信息，稍等片刻，然后查看我们的运行情况：
vpp# clear runtime
... wait ~5 seconds ...
vpp# show runtime
Time 5.1, 10 sec internal node vector rate 124.30 loops/sec 108211.07
vector rates in 4.4385e5, out 4.4385e5, drop 0.0000e0, punt 0.0000e0
Name State Calls Vectors Suspends Clocks Vectors/Call
ethernet-input active 18478 2265684 0 3.03e1 122.62
fib-walk any wait 0 0 3 1.14e4 0.00
ip4-full-reassembly-expire-wal any wait 0 0 102 7.63e3 0.00
ip4-input active 18478 2265684 0 3.07e1 122.62
ip4-lookup active 18478 2265 684 0 3.22e1 122.62
ip4-rewrite active 18478 2265684 0 3.05e1 122.62
ip6-full-reassembly-expire-wal any wait 0 0 102 5.79e3 0.00
ip6-mld-process any wait 0 0 5 6.12e3 0.00
ip6-ra-process any wait 0 0 5 1.18e4 0.00
netmap-epair0a-output active 8383 755477 0 1.12e1 90.12
netmap-epair0a-tx active 8383 755477 0 1.17e3 90.12
netmap-epair1a-output active 12473 1510207 0 1.04e1 121.08
netmap-epair1a-tx active 12473 1510207 0 2.11e3 121.08
netmap-input interrupt wa 16698 2265684 0 4.75e2 135.69
unix-cli-process-0 active 0 0 13 7.34e4 0.00
unix-epoll-input polling 478752 0 0 2.98e4 0.00
show runtime 输出中的列为我们提供了关于 VPP 内部运行的极好洞察。它们告诉我们自从运行时计数器被清除以来，哪些节点已经被激活，它们的当前状态，每个节点被调用的次数，所使用的时间，以及每次调用处理的向量数量。默认情况下，VPP 的最大向量大小是 255。
一个最终的调试任务是使用 show vlib graph 命令检查整个数据包处理图。此命令显示每个节点及其潜在的父节点和子节点，帮助我们理解数据流向。
下一步
VPP 是一款令人印象深刻的软件——一旦解决了兼容性问题，VPP 的核心部分就相对容易移植。即使仅进行最小的调优，VPP 在 FreeBSD 上与 netmap 配合使用时也能够达到相当令人印象深刻的性能，并且如果配置了 DPDK，它的表现会更好。VPP 的文档正在逐步增加关于在 FreeBSD 上运行的信息，但开发者们确实需要更多关于 FreeBSD 上使用 VPP 的示例案例。
从这个简单网络的例子开始，将其移植到一个拥有更快接口的大型网络上应该是相对直接的。
Tom Jones 是一名 FreeBSD 提交者，致力于保持网络堆栈的高效运行。
