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NS3-虚拟网络与物理网络的交互-3Netmap和DPDK网络设备

1. Netmap NetDevice
- 1.1 概述
- 1.2 设计
- - 1.2.1 设计思路
  - 1.2.2 初始化阶段
  - 1.2.3 线程功能
  - 1.2.4 读写方法实现
  - 1.2.5 队列控制与流量管理
  - 1.2.6 性能优化
2. DPDK NetDevice
- 2.1 模型描述
- - 2.1.1 设计
  - - 1. 初始化
    - 2. 数据包传输
    - 3. 终止
- 2.2 DPDK 安装
- - 1. 检查 NIC 支持性
  - 2. 替代方案：虚拟机配置
  - 3. 安装方式
  - - 方式一：Ubuntu 包安装
    - 方式二：源码编译
  - 4. 加载 DPDK 驱动
  - 5. 配置大页内存
- 2.3 使用指南
- - 1. 验证 DPDK 支持
  - 2. 配置示例
  - 3. 核心属性
  - 4. 示例程序
- 2.5 限制与扩展方向

1. Netmap NetDevice

fd-net-device 模块提供了 NetmapNetDevice 类，该类派生自 FdNetDevice，能够使用 netmap 文件描述符读写流量。此 netmap 文件描述符必须与主机中的真实以太网设备关联。NetmapNetDeviceHelper 类支持对 NetmapNetDevice 的配置。

1.1 概述

Netmap 是一种快速数据包处理功能，它绕过了 Host 网络堆栈并获得对网络设备的直接访问。 netmap 由 Luigi Rizzo [Rizzo2012] 开发，并维护为 GitHub 上的 https://github.com/luigirizzo/netmap 上的开源项目。

用于 ns-3 [Imputato2019] 由 Pasquale Imputato 在 2017-19 年开发。使用 NetmapNetDevice 需要 Host System 支持 NetMap（为了获得最佳性能，驱动程序必须支持 NetMap，并且必须使用支持 NetMap 的设备驱动程序）。用户可以预期使用 Netmap 的仿真比使用 FdNetDevice 和原始套接字（将通过 Linux 网络内核）的仿真，将支持更高的数据包。

1.2 设计

1.2.1 设计思路

继承与扩展：
- 基于 FdNetDevice 实现 NetmapNetDevice，利用文件描述符（FD）机制与真实设备交互。
- 需定制专用于 netmap 的操作：初始化（切换 NIC 至 netmap 模式）和 读写方法（通过 netmap API 协调数据包与环的交互）。

1.2.2 初始化阶段

模式切换：
- 将网络设备切换至 netmap 模式，使 ns-3 可通过 netmap 环直接读写真实设备的收发数据。
线程启动：
- 读线程：独立运行，监视 netmap 接收环中的新数据包，触发接收事件。
- 同步线程（Sync Thread）：专用于周期同步 netmap 环状态，支持流量控制与 BQL 通知。

1.2.3 线程功能

读线程：
- 从 netmap 接收环提取新数据包，传递至 ns-3 协议栈处理。
- 读取完成后，同步接收环以释放已处理数据包的槽位。
同步线程：
- 周期同步：通过 TXSYNC ioctl 请求，将 netmap 发送环中的待发数据包传输至：
  - 原生模式：直接推送至 NIC 发送环。
  - 通用模式：提交至已安装的 qdisc（队列规则）。
- 队列管理：
  - 若发送环空间不足导致队列暂停，当空闲槽位超过阈值时，重启队列并唤醒 ns-3 qdisc。
- BQL 支持：向字节队列限制（BQL）库通知已传输至 NIC 的字节量。

1.2.4 读写方法实现

写方法：
- 将上层（ns-3 流量控制层）下发的数据包写入 netmap 发送环的空闲槽位。
- 空间检查：若发送环剩余空间不足，立即暂停队列，阻止 ns-3 继续下发数据包。
读方法：
- 由读线程调用，负责提取接收环数据包并触发协议栈处理。

1.2.5 队列控制与流量管理

队列暂停与重启：
- 暂停条件：发送环空间不足时主动暂停队列。
- 重启条件：同步线程检测到发送环空闲槽位恢复至阈值以上时，自动重启队列。
BQL 集成：
- 写方法：通知 BQL 已写入发送环的字节量。
- 同步线程：通知 BQL 已从发送环移除并传输至 NIC 的字节量。

1.2.6 性能优化

减少系统调用：通过同步线程周期批量处理 netmap 环同步，避免频繁系统调用开销。
零拷贝机制：直接操作 netmap 环的槽位，减少数据包在内核与用户空间间的复制。

通过上述设计，NetmapNetDevice 实现了高效、低延迟的物理网络设备模拟，同时兼容 ns-3 流量控制与 Linux 内核特性（如 BQL）。

2. DPDK NetDevice

数据平面开发套件（DPDK） 是由 Linux 基金会托管的库，旨在加速数据包处理任务（官网链接）。

DpdkNetDevice 类实现了基于 DPDK 的网络设备，绕过内核直接使用 DPDK 的高速数据包处理能力。该类位于 src/fd-net-device 模块中，继承自 FdNetDevice，并重写了 ns-3 与 DPDK 环境交互所需的函数。

2.1 模型描述

DpdkNetDevice 提供网络仿真能力，允许模拟节点与真实主机交互。其核心功能是通过 DPDK 的 环境抽象层（EAL） 实现高速数据包处理。EAL 隐藏设备细节，为应用提供与网卡（NIC）直接交互的接口，使 ns-3 可绕过内核直接收发数据包。

2.1.1 设计

DpdkNetDevice 作为 ns-3 与 DPDK 的桥梁，生命周期分为三个阶段：

1. 初始化

责任方：DpdkNetDeviceHelper 模型。
步骤：
1. 初始化 EAL。
2. 分配内存池（mempool）。
3. 获取并初始化网卡端口。
4. 设置端口的接收（Rx）和发送（Tx）队列。
5. 调用 LaunchCore 启动 HandleRx 方法，批量读取数据包。

2. 数据包传输

数据格式转换：
- DPDK 使用 mbuf 结构体，ns-3 使用原始缓冲区。
读操作：
- HandleRx 从 NIC 的 Rx 环批量读取 mbuf，转换为 ns-3 缓冲区后传递至协议栈。
写操作：
- 将 ns-3 缓冲区转换为 mbuf 存入 Tx 缓冲区。
- 批量发送：当 Tx 缓冲区满时，将数据包传输至 NIC 的 Tx 环。
- 超时刷新：若 Tx 缓冲区未满，默认 2ms 后手动刷新残留 mbuf。

3. 终止

停止 Rx 轮询。
释放分配的 mbuf 和内存池。
关闭网卡端口。

2.2 DPDK 安装

1. 检查 NIC 支持性

查看 DPDK 支持的设备列表。

2. 替代方案：虚拟机配置

环境：Oracle VM VirtualBox + Ubuntu。
网卡配置：
- 桥接模式（Bridged Adapter）。
- 适配器类型：支持 DPDK 的 NIC（如 Intel PRO/1000 MT Server）。
- 混杂模式：允许所有。

3. 安装方式

方式一：Ubuntu 包安装

apt-get install dpdk dpdk-dev libdpdk-dev dpdk-igb-uio-dkms

版本要求：Ubuntu 20.04（默认 DPDK v19.11 LTS）。

方式二：源码编译

下载源码：从 DPDK 下载页获取 v19.11 LTS。
配置为共享库：编辑 config/common_base，设置：
```
CONFIG_RTE_BUILD_SHARED_LIB=y
```

编译安装：

make install T=x86_64-native-linuxapp-gcc DESTDIR=install

设置环境变量：

export RTE_SDK=/path/to/dpdk-source
export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc

4. 加载 DPDK 驱动

sudo modprobe uio_pci_generic uio vfio-pci
sudo modprobe igb_uio       # Ubuntu 包安装
sudo insmod $RTE_SDK/$RTE_TARGET/kmod/igb_uio.ko  # 源码编译

5. 配置大页内存

运行时分配：

echo 256 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

启动时分配：编辑 /etc/default/grub，添加：
```
hugepages=256
```

挂载大页文件系统：

sudo mkdir /mnt/huge
sudo mount -t hugetlbfs nodev /mnt/huge

2.3 使用指南

1. 验证 DPDK 支持

运行 ./ns3 configure，若输出包含 DPDK NetDevice : enabled 表示支持。
DPDK网络拓扑示例：
在这里插入图片描述

2. 配置示例

DpdkNetDeviceHelper* dpdk = new DpdkNetDeviceHelper();
dpdk->SetPmdLibrary("librte_pmd_e1000.so");  // 设置 PMD 驱动库
dpdk->SetDpdkDriver("igb_uio");              // 设置 DPDK 驱动类型

3. 核心属性

属性名	描述	默认值	适用场景
`TxTimeout`	Tx 缓冲区刷新超时（微秒）	2000	低流量场景可调低
`MaxRxBurst`	Rx 批量大小	64	高流量可增大
`MaxTxBurst`	Tx 批量大小	64	高流量可增大
`MempoolCacheSize`	内存池缓存大小	256	高流量可增大
`NbRxDesc`	Rx 描述符数量	1024	高流量可增大
`NbTxDesc`	Tx 描述符数量	1024	高流量可增大

4. 示例程序

fd-emu-ping.cc：通过 DPDK 发送 ICMP 流量，绕过内核。
fd-emu-onoff.cc：利用 DPDK 高速处理能力，测量 TCP/UDP 吞吐量。

2.5 限制与扩展方向

当前限制：
- 仅支持单 NIC 单 Rx/Tx 队列。
- 不支持巨型帧（Jumbo Frames）。
- 无流量控制或 qdisc 支持。
未来扩展：
- 多 NIC 与多队列支持。
- 添加卸载（Offloading）和调度功能。