我們的活動在互聯網上每天都會產生海量的數據。我們知道這是一個“很大”的數字，但你知道到底有多大嗎?

據粗略估算，目前互聯網上每天新增的數據量超過 1.15 EB 。而預測到 2025 年，這一數字會增長到 491 EB。如果看不出來這個數字有多大，那么看下這個單位換算公式：1 EB = 1*1024*1024*1024 GB。

因為物聯網也在超快地發展，無處不在的 IoT 設備會產生更多的數據，所以互聯網數據會呈指數級增長。那么無論是云計算、大數據分析應用，還是 AI 處理，網絡傳輸能否及時“吞”下暴漲的數據，就決定了服務的能力。

但目前承載互聯網服務的主流操作系統 Linux卻存在網絡性能瓶頸，問題出在哪里呢?

1Linux 網絡的瓶頸

當 Linux 在 20世紀90 年代初設計開發 Linux 內核時，還無法預料到未來30年全球互聯網的規模，所以也不可能按現在的數據流量去做設計。而 Linux 內核的基本結構也保持到現在。

因此問題就在于 Linux 內核網絡協議棧的實現，相對于當下的數據吞吐量需求，有以下三個原因會產生網絡傳輸瓶頸：

應用程序和網絡協議棧在交換數據時，會頻繁地在用戶態與內核態之間切換，導致延時產生;

數據要在用戶空間緩存與內核空間緩存之間往來復制，耗費時間;

內核協議棧需要對數據進行封裝和解析工作，占用 CPU 時鐘。

內核協議棧方案的數據流

辦法總比困難多，《Linux高性能網絡詳解：從DPDK、RDMA到XDP》一書就針對上述問題給出了包括軟件與硬件的解決辦法。本書的作者是業內資深專家，他在書中以理論結合實踐，說明了 DPDK、RDMA、XDP 實現 Linux 高性能網絡以及保障傳輸安全的方案。

2DPDK：低成本的高性能網絡技術

DPDK(Data Plane Development Kit，數據平面開發工具包)是在用戶態運行的一組軟件庫和驅動程序。它的一大優點是可以在所有主要 CPU 體系上加速網絡數據包的處理，這樣一來，現有硬件無須升級，只要在內核加裝相應驅動就可以提升網絡性能，是一種低成本的實現方案。

DPDK 技術原理是繞過 Linux 內核協議棧直接訪問網卡硬件，從而提高網絡數據包的處理速度和吞吐量。DPDK 將網卡的數據包直接映射到用戶空間，然后使用高效的數據包處理庫進行數據包的處理和轉發，最后再將數據包發送回網卡。

在數據中心、云計算、虛擬化、網絡安全等應用場景中，DPDK可以提高網絡應用的性能和吞吐量、降低網絡延遲、提高網絡應用的響應速度和穩定性，還可以支持多種網絡協議和數據包格式，具有很好的靈活性和可擴展性。

DPDK 為處理數據包實現了一個“運行到完成”(run to completion)的模型，在執行數據平面處理邏輯之前，必須先分配所有資源，然后以邏輯核上執行單元(線程)的形式運行。該模型不支持調度器，以輪詢的方式訪問所有設備。

DPDK 的核心是一組庫，下圖是核心組件以及它們之間的依賴關系。

DPDK 核心組件

《Linux高性能網絡詳解：從DPDK、RDMA到XDP》詳細說明了 DPDK 的內存管理與優化、DPDK 的編譯與運行方法，介紹了測試和分析高性能網卡的工具與方法，是手把手式的貼心教程。這對于講述內核驅動開發來說，是相當友好的學習體驗。

接下來，我們了解一種軟硬件結合的解決方案。

3RDMA：軟硬兼施的高性能網絡技術

RDMA(Remote Direct Memory Access，遠程直接內存訪問)提供了一種消息服務，應用程序可基于該服務直接讀寫遠程計算機上的虛擬內存。

RDMA 相對于 DPDK 技術，不僅繞過了軟件協議棧，最大的優點是將數據封裝和解析工作放在了網卡里，由硬件來實現。這樣就降低了 CPU 的負載，特別適合高性能計算場景，例如分布式神經網絡計算。

它的工作原理是通過操作系統的通信機制建立通道，由應用程序在用戶態直接操作硬件，數據無須流經內核，從而實現高效的網絡傳輸性能。

下面我們從數據在兩臺主機之間的傳輸過程來了解一下 RDMA 的工作方式：

發送端網卡從本機內存用戶空間復制數據到硬件緩沖區，并添加協議頭，完成封裝工作;

發送端網卡將數據通過網線或光纖將數據發往對端;

接收端網卡收到數據后，進行協議解封裝，然后將數據從硬件緩沖區復制到本機用戶空間內存中。

RDMA 方案的數據流

由上述可知，采用 RDMA 方案可以穩定獲得網卡最大速率傳輸能力，而不會因為 CPU 負載變化造成傳輸效能波動。但在部署組網時，必須采購支持 RDMA 的特殊網卡。

《Linux高性能網絡詳解：從DPDK、RDMA到XDP》對 RDMA 組網方案與性能評估測試有詳細說明，對于提供高性能計算服務的企業極具參考價值。

4XDP：高效傳輸的保障

DPDK 在傳輸數據時采用了操作系統內核旁路方式，這固然提升了效率，但也失去了操作系統安全機制提供的防護。這樣就存在數據被截獲、盜取的風險，因此需要有對數據的保護措施，同時保證高效傳輸。

XDP(eXpress Data Path，快速數據通路)是一種 BPF 的程序/代碼，可以理解為掛載在 BPF 處理流程內的掛鉤方法。它能夠在網絡數據到達網卡時就對其處理，而不過多占用 CPU 計算資源。

BPF 提供了在內核事件與應用程序事件發生時執行一段程序的機制。這使得內核可編程，XDP 即基于 BPF 特性為數據高速傳輸提供了保障。目前，XDP 已經是 Linux 內核的一部分，與現有的內核網絡協議棧完全兼容，二者可以協同工作 。

XDP 的典型處理流程如下：

從網卡收到數據包，提取數據報頭信息;

讀取或更新一些元數據;

根據需要修改或者重寫數據包;

根據策略決定是丟包、重傳，還是重定向至內核協議棧等。

典型的 XDP 程序的執行流程

XDP 擁有諸多優點。第一，它由 Linux 內核社區維護，長期使用有保障，也無須額外安裝組件;第二，它可以與內核協同，可復用內核安全模型;第三，BPF能夠識別并拒絕執行不安全指令;第四，它不會獨占 CPU，節約計算資源。

所以，在規劃高性能網絡實施方案時，需要將 DPDK 等技術與 XDP 相結合，盡可能地在性能與穩定、安全之間取得最佳平衡。

5結語

對于企業來說，在規劃和實施網絡方案時，一定要從自身業務特點出發，切忌巨額投資之后卻是高射炮打蚊子的效果。這也需要技術團隊對 Linux 網絡技術原理有透徹理解，然后才能選擇最適合的技術方案。

例如，業務發展穩定且已部署大量 Linux 服務器的企業，為了提升網絡效能，可以選擇 DPDK、XDP 技術。對于意欲進軍 AI 業務的新興企業來說，就要考慮充分解放算力，獲得最優傳輸效能，可以選擇 RDMA 技術路線。而擁有諸多復雜服務的云計算廠商，則要混合部署多種網絡傳輸方案，同時保持穩定和速率。

《Linux高性能網絡詳解：從DPDK、RDMA到XDP》就為實現上述需求提供了很好的指引。從對 DPDK、RDMA、XDP 技術的原理說明，到深入代碼級別的剖析，再以實例展示使用方法。企業據此就可以開展網絡環境評估、技術選型參考、規劃實施等工作。

在數據還將指數級暴增的未來，互聯網企業都要未雨綢繆，及時調整網絡環境，消除網絡傳輸瓶頸，在未來贏得先機!

審核編輯：湯梓紅