多核处理器下的快速包处理软件架构FastGate

陈首席，各位弯曲的老友们，你们好。关注弯曲多年，受益颇深。咱们来自ASTRI（香港应用科技研究院），是一群热爱系统设计的大宋子民，所在的项目组专一于多核处理器下的快速包处理的软件研发，逐渐造成了一套高性能、高可扩展性的软件架构FastGate，特在此跟你们分享和探讨。

FastGate主要的目标是帮助用户缩短研发周期，保护已有的代码，快速开发和灵活部署本身的业务。用户无需关注多核处理器的硬件细节、无需关注性能和扩展性，只需专一于自身功能模块的开发，而后经过和FastGate框架的无缝集成即可以快速造成本身独有的产品，推出市场，同时又能够根据业务须要，灵活的扩展。

FastGate框架的的设计和SDN & OpenFlow的思想很吻合。主要特色以下：

（1）控制平面和数据平面分离。控制平面主要包括session、Flow和信令的管理，运行在User Space和Slow Path环境中。数据平面由一精简的指令集组成，运行在FastPath环境中，专门负责网络报文的处理和转发。Application、SlowPath和FastPath三者之间经过MCC（Multi-core Communication）通讯，MCC同时支持本地和远程通讯。

（2）经过在FastPath和SlowPath引入ENS Framework，网络协议栈的功能得以以模块的方式互联，模块能够静态或动态的插拔，经过配置平面组合成不一样的网络协议栈，以适应不一样网络设备对协议栈的需求。

（3）Application能够运行在本地，也能够是远程的信令模块，并可单独开发和部署。从而下降系统的耦合性，提升总体的可靠性和扩展性。用户或第三方的Application能够无缝的和FastGate框架进行集成。

（4）FastPath运行在独立、高效的多核执行环境中，对网络报文的处理要求作到Simple and Stupid, 使其得以充分发挥多核并行处理的性能优点。为此，FastPath中的功能模块都采用高效的数据结构和算法，并针对多核并行处理进行优化。

（5）SlowPath由优化的Kernel协议栈和ENS Framework组成，主要负责IP协议栈的Session、Flow等的管理，并和FastPath进行数据同步。

ENS（Extensible/Efficient Network Stack Framework）负责构建网络协议栈。ENS中的各个功能模块之间是相互独立和透明的，模块之间经过hook的方式互连。模块能够静态或动态的添加和删除，这使得协议栈的扩展很是灵活，而又无需担忧性能问题。因为ENS Framework应用在整个协议栈，使得用户不管是在L二、L3，仍是L7均可以很容易的扩展自身的业务，从而使得整个系统兼具软件的灵活性和硬件的高性能。

以LTE EPC中SGW和PGW为例，用户的开发也分为控制平面和数据平面。控制平面即符合3GPP规范的SGW和PGW的协议部分，开发完成后，能够部署在FastGate所在的板卡，也能够根据须要部署在独立的板卡上。数据平面即SGW&PGW的报文处理部分，开发完成后做为一个功能模块插入到Fast Path的ENS Framework中，就造成了SGW&PGW的网络协议栈。

关于系统的性能，下面给出基于Cavium cn5850（12 Cores, 600Mhz）的IPv4 Unicast Forwarding (8 cores for fastpath)的性能测试数据：

Fib Number	28,892
Memory Occupied(MB):	3.44
Measured in PPS	4,627,408
Measured in Mbps	4,000 (limited by I/O throughput of ispan9210)
Measured in Latercy(μs)	5 ~ 10

目前FastGate已经在包括ATCA 和Micro-TCA多个平台上应用，所涉及的项目包括Wi-Fi AC, ASN GW, Femto SeGW, LTE EPC PGW, LTE EPC SGW等。指望弯曲的朋友和专家能不吝赐教，批评指正。