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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

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。

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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。

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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）。

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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。

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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

1. 下载源码：从 DPDK 下载页 获取 v19.11 LTS。
2. 配置为共享库：编辑 config/common_base，设置：

   CONFIG_RTE_BUILD_SHARED_LIB=y
   

3. 编译安装：

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

4. 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：

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。

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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。