NVIDIA BlueField DPU と NVIDIA DOCA ライブラリによるアプリケーション開発

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この投稿では、FRR DOCA データプレーンプラグインの作成方法と、新しい DOCA フローライブラリを使用して PBR ルールをオフロードする方法を紹介します。前回の記事では、DPDK rte_flow ライブラリを使用して BlueField 上の PBR ルールを高速化するための FRR データプレーンプラグインの作成について説明しましたが、今回は、DOCA フローライブラリを使用して PBR ルールをオフロードする方法について説明します。パート 1 については、NVIDIA BlueField DPU と DPDK を使ったアプリケーションの開発をご覧ください。

Zebra に DOCA データプレーンプラグインを追加する

ハードウェアの初期化には DPDK API を使いましたが、データプレーンフローのパイプラインのセットアップには DOCA フローのAPI を使いました。そのためには、DPDK (libdpdk.pc) と DOCA フロー (doca-flow.pc) の共有ライブラリを DOCA データプレーンプラグインとリンクする必要がありました。

root@dpu-arm:~# export PKG_CONFIG_PATH=$PKG_CONFIG_PATH:/opt/mellanox/dpdk/lib/aarch 
64-linux-gnu/pkgconfig 
root@dpu-arm:~# pkg-config --libs doca-flow 
-ldoca_flow 
root@dpu-arm:~# pkg-config --cflags doca-flow 
-DALLOW_EXPERIMENTAL_API -include rte_config.h -mcpu=cortex-a72 -DALLOW_EXPERIMENTAL_API -I/opt/mellanox/dpdk/include/dpdk -I/opt/mellanox/dpdk/include/dpdk/../aarch64-linux-gnu/dpdk -I/opt/mellanox/dpdk/include/dpdk -I/usr/include/libnl3 
root@dpu-arm:~#

FRR の makefile (configure.ac) に DPDK と DOCA フローの pkg check and-define macro を追加しました。

if test "$enable_dp_doca" = "yes"; then 
  PKG_CHECK_MODULES([DOCA], [libdpdk doca-flow], [ 
    AC_DEFINE([HAVE_DOCA], [1], [Enable DOCA backend]) 
    DOCA=true 
  ], [ 
    AC_MSG_ERROR([configuration specifies --enable-dp-doca but DOCA libs were not found]) 
  ]) 
fi

DPDK と DOCA 両方の flow libs と cflags を zebra-dp-doca make のマクロ (zebra/subdir.am) に入れました。

zebra_zebra_dplane_doca_la_CFLAGS = $(DOCA_CFLAGS) 
zebra_zebra_dplane_doca_la_LIBADD  = $(DOCA_LIBS)

DOCA データプレーンプラグインは、/etc/frr/daemons を使用して FRR サービス開始時に有効化することができます。

zebra_options= " -M dplane_doca -A 127.0.0.1"

ハードウェアの初期化およびポートマッピング

DPDK API のrte_eal_init と rte_eth_dev_info_get を使用して、ハードウェアの初期化と Zebra インターフェイスと DPDK ポートマッピングのセットアップを行います。このワークフローは、前述の DPDK データプレーンプラグインと同じです。

root@dpu-arm:~# vtysh -c "show dplane doca port" 
Total ports: 6 cores: 8 
Port Device           IfName           IfIndex          sw,domain,port 
0    0000:03:00.0     p0               4                0000:03:00.0,0,65535 
1    0000:03:00.0     pf0hpf           6                0000:03:00.0,0,4095 
2    0000:03:00.0     pf0vf0           15               0000:03:00.0,0,4096 
3    0000:03:00.0     pf0vf1           16               0000:03:00.0,0,4097 
4    0000:03:00.1     p1               5                0000:03:00.1,1,65535 
5    0000:03:00.1     pf1hpf           7                0000:03:00.1,1,20479 
root@dpu-arm:~#

DOCA フロー初期化

PBR ルールのプログラミングに doca-flow を使うには、doca-flow と doca-flow-port のデータベースを初期化する必要がありました。この初期化は、rte_eal_init を使ってハードウェアを初期化した後に行われました。

doca_flow_init は、フローとキュー数の設定をして、doca-flow ライブラリを初期化するために使用しました。

struct doca_flow_cfg flow_cfg; 

memset(&flow_cfg, 0, sizeof(flow_cfg)); 
flow_cfg.total_sessions = ZD_DOCA_FLOW_MAX; 
flow_cfg.queues = doca_ctx->nb_cores;
  
doca_flow_init(&flow_cfg, &err);

DPDK を使ってハードウェアポートを設定したので、doca-flow-port データベースに dpdk_port-id でインストールする必要がありました。

struct doca_flow_port_cfg port_cfg; 

 memset(&port_cfg, 0, sizeof(port_cfg)); 
port_cfg.port_id = dpdk_port_id; 
port_cfg.type = DOCA_FLOW_PORT_DPDK_BY_ID; 
snprintf(port_id_str, ZD_PORT_STR_MAX, "%u", port_cfg.port_id); 
port_cfg.devargs = port_id_str; 

doca_port = doca_flow_port_start(&port_cfg, &err);

doca-flow の API を使った PBR ルールのプログラム

DOCA フローは、match、action、forward、monitor の各属性に対応した一連のデータ構造でプログラムされています。

struct doca_flow_match match, match_mask; 
struct doca_flow_actions actions; 
struct doca_flow_fwd fwd; 
struct doca_flow_monitor monitor;

フローマッチ

これは、match と match-mask で指定されます。match-mask はオプションであり、指定しない場合は doca-flow ライブラリによって自動入力されます。

memset(&match, 0, sizeof(match)); 
memset(&match_mask, 0, sizeof(match_mask));  

match.out_src_ip.type = DOCA_FLOW_IP4_ADDR; 
match.out_src_ip.ipv4_addr = src_ip; 
match_mask.out_src_ip.ipv4_addr = src_ip_mask; 

match.out_dst_ip.type = DOCA_FLOW_IP4_ADDR; 
match.out_dst_ip.ipv4_addr = dst_ip; 
match_mask.out_src_ip.ipv4_addr = dst_ip_mask; 
 
match.out_l4_type = ip_proto;  
 
match.out_src_port = RTE_BE16 (l4_src_port); 
match_mask.out_src_port =  UINT16_MAX; 

match.out_dst_port =  RTE_BE16 (l4_dst_port); 
match_mask.out_dst_port =  UINT16_MAX;

eth や eth-mask などのフィールドは追加しないようにしました。これは、doca-flow ライブラリが、他のマッチフィールドである dst_ip や src_ip に基づいて、RTE_ETHER_TYPE_IPV4 や RTE_ETHER_TYPE_IPV6 にそのフィールドを自動追加することができるからです。

フローアクション

パケットをルーティングするために、宛先 MAC アドレスをゲートウェイ (leaf2) の MAC に変更し、TTL を減少し、送信元 MAC アドレスを変更する必要がありました。これは元々、パート 1「Developing Applications with NVIDIA BlueField DPU and DPDK」で説明したものです。

memset(&actions, 0, sizeof(actions)); 

 actions.dec_ttl = true; 
 memcpy(actions.mod_src_mac, uplink_mac, DOCA_ETHER_ADDR_LEN); 
 memcpy(actions.mod_dst_mac, gw_mac, DOCA_ETHER_ADDR_LEN);

フローフォワード

そして、出力ポートをアップリンクに設定しました。

memset(&fwd, 0, sizeof(fwd)); 
 
fwd.type = DOCA_FLOW_FWD_PORT; 
fwd.port_id = out_port_id;

フローモニタリング

トラブルシューティングのためにフローカウンターを設定しました。

memset(&monitor, 0, sizeof(monitor));  
monitor.flags |= DOCA_FLOW_MONITOR_COUNT;

DOCA フローパイプとエントリ

フローの作成は、2 つのステップで行います。

フローパイプを作成します。
フローパイプにフローエントリを追加します。

最初のステップでは、Lookup ステージのソフトウェアテンプレートが作成されます。ステップ 2 では、このテンプレートを使って、ハードウェアにフローをプログラムします。

パイプは、多くの類似したフローをプログラムする必要がある場合に便利です。このような場合、1 つのマッチテンプレート (パイプ) を設定し、フローエントリ作成時にどのマッチフィールドを更新する必要があるかを示すことができます (例: レイヤー 4 の宛先ポート)。後続のフローエントリは、パイプ (レイヤー 4 の宛先ポート) と異なるマッチフィールドにのみ追加する必要があります。

PBR の場合、各フローパターンがユニークなので、すでに追加していたフロー属性を使って、PBR ルールごとに別のパイプとエントリを作成しました。

struct doca_flow_pipe_cfg pipe_cfg;  

pipe_cfg.name = "pbr"; 
pipe_cfg.port = in_dport->doca_port; 
pipe_cfg.match = &match; 
pipe_cfg.match_mask = &match_mask; 
pipe_cfg.actions = &actions; 
pipe_cfg.monitor = &monitor; 
pipe_cfg.is_root = true;  

flow_pipe = doca_flow_create_pipe(&pipe_cfg, &fwd, NULL, &err); 
flow_entry = doca_flow_pipe_add_entry(0, flow_pipe, &match, &actions, &monitor, &fwd, &err);

フローの削除

フローパイプとエントリ作成の API は、その後の削除のためにキャッシュされなければならないパイプとフローポインターを返します。

doca_flow_pipe_rm_entry(0, flow_entry); 
doca_flow_destroy_pipe(port_id, flow_pipe);

フローの統計

フロー作成時に、DOCA_FLOW_MONITOR_COUNT フラグを設定しました。doca_flow_query を使用して、フローの統計情報を照会しました。

struct doca_flow_query query; 

// hit counters – query.total_pkts and query.total_bytes 
memset(&query, 0, sizeof(query));  
doca_flow_query(flow_entry,  &query);

ハードウェアアクセラレーションの検証

FRR-PBR のルール設定とトラフィック生成は dpdk-plugin と同じです。トラフィックは DPU ハードウェアによって期待通りに転送され、フローカウンターを使用して検証することが可能です。

root@dpu-arm:~# vtysh -c "show dplane doca pbr flow" 
Rules if pf0vf0 
  Seq 1 pri 300 
  SRC IP Match: 172.20.0.8/32 
  DST IP Match: 172.30.0.8/32 
  IP protocol Match: 17 
  DST Port Match: 53 
  Tableid: 10000 
  Action: nh: 192.168.20.250 intf: p0 
  Action: mac: 00:00:5e:00:01:fa 
  DOCA flow: installed 0xffff28005150 
  DOCA stats: packets 202 bytes 24644 
root@dpu-arm:~#

また、ハードウェアエントリを用いて検証することも可能です。

root@dpu-arm:~# ~/mlx_steering_dump/mlx_steering_dump_parser.py -p `pidof zebra`  - 
f /tmp/dpdkDump 
domain 0xe294002, table 0xaaab07648b10, matcher 0xffff28012c30, rule 0xffff28014040 
   match: outer_l3_type: 0x1, outer_ip_dst_addr: 172.30.0.8, outer_l4_type: 0x2, metadata_reg_c_0: 0x00030000, outer_l4_dport: 0x0035, outer_ip_src_addr: 172.20.0.8 
   action: MODIFY_HDR(hdr(dec_ip4_ttl)), rewrite index 0x0 & VPORT, num 0xffff & CTR(hits(352), bytes(42944)), index 0x806200

FRR に、doca-flow を用いた PBR ルールのハードウェアアクセラレーションのための 2 つ目のデータプレーンプラグインが追加されました。

アプリケーション開発のポイント

この連載では、DPU ネットワークアプリケーションを rte_flow や doca_flow を使用して 4 つのステップでハードウェアアクセラレーションする方法について見てきました。

DOCA/DPDK ライブラリをアプリケーションにリンクする。
ハードウェアを初期化する。
ハードウェアのポートマッピングのためにアプリケーションを設定する。
トラフィックを操るためのフローをプログラムする。

DPU にオフロードされる要素が増えると、ソースコードの行数 (SLOC) が増え、開発プロセスが複雑になることがあります。そこで役立つのが DOCA アブストラクションです。

DOCA には、doca-dpi、gRPC、Firefly の時刻同期などの、いくつかの組み込みライブラリが用意されています。これらのライブラリにより、お客様のアプリケーションに素早くプラグアンドプレイで対応することができます。
doca_pipeなどの DOCA コンストラクトにより、パイプラインをテンプレート化し、定型的なコードを排除し、フローの挿入を最適化することができます。
今後登場する DOCA ライブラリでは、ハードウェアアクセラレーションによる LPM (Longest prefix match) などにより、スイッチパイプラインの構築が容易になります。特に、本連載で紹介したサンプルアプリケーションの FRR に関連しており、BGP で LPM ルーティングテーブル (または RIB) を構築するためによく展開されます。
DOCA を使えば、コンバージドアクセラレータ上での GPU＋DPU 開発というエキサイティングな世界へも飛び込むことができるのです。

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詳細は、以下の関連情報をご覧ください。

翻訳に関する免責事項

この記事は、「Developing Applications with NVIDIA BlueField DPU and NVIDIA DOCA Libraries」の抄訳で、お客様の利便性のために機械翻訳によって翻訳されたものです。NVIDIA では、翻訳の正確さを期すために注意払っておりますが、翻訳の正確性については保証いたしません。翻訳された記事の内容の正確性に関して疑問が生じた場合は、原典である英語の記事を参照してください。

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