docs/report/vpp_performance_tests/methodology.rst

   1 Test Methodology
   2 ================
   3
   4 Multi-Core and Multi-Threading
   5 ------------------------------
   6
   7 **Intel Hyper-Threading** - CSIT |release| performance tests are executed with
   8 SUT servers' Intel XEON processors configured in Intel Hyper-Threading Disabled
   9 mode (BIOS setting). This is the simplest configuration used to establish
  10 baseline single-thread single-core application packet processing and forwarding
  11 performance. Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
  12 Hyper-Threading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot of
  13 server).
  14
  15 **Multi-core Tests** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
  16 following VPP thread and core configurations:
  17
  18 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
  19 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
  20 #. 4t4c - 4 VPP worker threads on 4 CPU physical cores.
  21
  22 VPP worker threads are the data plane threads. VPP control thread is
  23 running on a separate non-isolated core together with other Linux
  24 processes. Note that in quite a few test cases running VPP workers on 2
  25 or 4 physical cores hits the I/O bandwidth or packets-per-second limit
  26 of tested NIC.
  27
  28 Section :ref:`throughput_speedup_multi_core` includes a set of graphs
  29 illustrating packet throughout speedup when running VPP on multiple
  30 cores.
  31
  32 Packet Throughput
  33 -----------------
  34
  35 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
  36
  37 - NDR binary search per :rfc:`2544`:
  38
  39   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
  40     (2x <per direction packets-per-second>)";
  41   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
  42     second> Gbps (untagged)";
  43
  44 - PDR binary search per :rfc:`2544`:
  45
  46   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
  47     <per direction packets-per-second>)";
  48   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
  49     second> Gbps (untagged)";
  50   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
  51     lost at PDR rate>";
  52
  53 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes (untagged
  54   Ethernet):
  55
  56   - IPv4 payload: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B;
  57   - IPv6 payload: 78B, 1518B, 9000B;
  58
  59 - NDR and PDR binary search resolution is determined by the final value of the
  60   rate change, referred to as the final step:
  61
  62   - The final step is set to 50kpps for all NIC to NIC tests and all L2
  63     frame sizes except 9000B (changed from 100kpps used in previous
  64     releases).
  65
  66   - The final step is set to 10kpps for all remaining tests, including 9000B
  67     and all vhost VM and memif Container tests.
  68
  69 All rates are reported from external Traffic Generator perspective.
  70
  71 Maximum Receive Rate (MRR)
  72 --------------------------
  73
  74 MRR tests measure the packet forwarding rate under the maximum
  75 load offered by traffic generator over a set trial duration,
  76 regardless of packet loss. Maximum load for specified Ethernet frame
  77 size is set to the bi-directional link rate.
  78
  79 Current parameters for MRR tests:
  80
  81 - Ethernet frame sizes: 64B (78B for IPv6 tests) for all tests, IMIX for
  82   selected tests (vhost, memif); all quoted sizes include frame CRC, but
  83   exclude per frame transmission overhead of 20B (preamble, inter frame
  84   gap).
  85
  86 - Maximum load offered: 10GE and 40GE link (sub-)rates depending on NIC
  87   tested, with the actual packet rate depending on frame size,
  88   transmission overhead and traffic generator NIC forwarding capacity.
  89
  90   - For 10GE NICs the maximum packet rate load is 2* 14.88 Mpps for 64B,
  91     a 10GE bi-directional link rate.
  92   - For 40GE NICs the maximum packet rate load is 2* 18.75 Mpps for 64B,
  93     a 40GE bi-directional link sub-rate limited by TG 40GE NIC used,
  94     XL710.
  95
  96 - Trial duration: 10sec.
  97
  98 Similarly to NDR/PDR throughput tests, MRR test should be reporting bi-
  99 directional link rate (or NIC rate, if lower) if tested VPP
 100 configuration can handle the packet rate higher than bi-directional link
 101 rate, e.g. large packet tests and/or multi-core tests.
 102
 103 MRR tests are used for continuous performance trending and for
 104 comparison between releases.
 105
 106 Packet Latency
 107 --------------
 108
 109 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 110 latency values are measured using following methodology:
 111
 112 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 113   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 114 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 115   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 116   load streams.
 117 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 118   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 119   expected to report latency percentiles.
 120 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 121   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 122   should be divided by two.
 123 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 124   FD.io labs used by CSIT project.
 125 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 126   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 127   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 128   interface line.
 129
 130 vhostuser with KVM VMs
 131 ----------------------
 132
 133 FD.io CSIT performance lab is testing VPP vhost with KVM VMs using following
 134 environment settings:
 135
 136 - Tests with varying Qemu virtio queue (a.k.a. vring) sizes: [vr256] default 256
 137   descriptors, [vr1024] 1024 descriptors to optimize for packet throughput.
 138
 139 - Tests with varying Linux :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` settings:
 140   [cfs] default settings, [cfsrr1] CFS RoundRobin(1) policy applied to all data
 141   plane threads handling test packet path including all VPP worker threads and
 142   all Qemu testpmd poll-mode threads.
 143
 144 - Resulting test cases are all combinations with [vr256,vr1024] and
 145   [cfs,cfsrr1] settings.
 146
 147 - Adjusted Linux kernel :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` scheduler policy
 148   for data plane threads used in CSIT is documented in
 149   `CSIT Performance Environment Tuning wiki <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604>`_.
 150   The purpose is to verify performance impact (MRR and NDR/PDR
 151   throughput) and same test measurements repeatability, by making VPP
 152   and VM data plane threads less susceptible to other Linux OS system
 153   tasks hijacking CPU cores running those data plane threads.
 154
 155 Memif with LXC and Docker Containers
 156 ------------------------------------
 157
 158 CSIT |release| includes tests taking advantage of VPP memif virtual
 159 interface (shared memory interface) to interconnect VPP running in
 160 Containers. VPP vswitch instance runs in bare-metal user-mode handling
 161 NIC interfaces and connecting over memif (Slave side) to VPPs running in
 162 :abbr:`Linux Container (LXC)` or in Docker Container (DRC) configured
 163 with memif (Master side). LXCs and DRCs run in a priviliged mode with
 164 VPP data plane worker threads pinned to dedicated physical CPU cores per
 165 usual CSIT practice. All VPP instances run the same version of software.
 166 This test topology is equivalent to existing tests with vhost-user and
 167 VMs as described earlier in :ref:`tested_physical_topologies`.
 168
 169 More information about CSIT LXC and DRC setup and control is available
 170 in :ref:`container_orchestration_in_csit`.
 171
 172 Memif with K8s Pods/Containers
 173 ------------------------------
 174
 175 CSIT |release| includes tests of VPP topologies running in K8s
 176 orchestrated Pods/Containers and connected over memif virtual
 177 interfaces. In order to provide simple topology coding flexibility and
 178 extensibility container orchestration is done with `Kubernetes
 179 <https://github.com/kubernetes>`_ using `Docker
 180 <https://github.com/docker>`_ images for all container applications
 181 including VPP. `Ligato <https://github.com/ligato>`_ is used for the
 182 Pod/Container networking orchestration that is integrated with K8s,
 183 including memif support.
 184
 185 In these tests VPP vswitch runs in a K8s Pod with Docker Container (DRC)
 186 handling NIC interfaces and connecting over memif to more instances of
 187 VPP running in Pods/DRCs. All DRCs run in a priviliged mode with VPP
 188 data plane worker threads pinned to dedicated physical CPU cores per
 189 usual CSIT practice. All VPP instances run the same version of software.
 190 This test topology is equivalent to existing tests with vhost-user and
 191 VMs as described earlier in :ref:`tested_physical_topologies`.
 192
 193 Further documentation is available in
 194 :ref:`container_orchestration_in_csit`.
 195
 196 IPSec with Intel QAT HW cards
 197 -----------------------------
 198
 199 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 200 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 201 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 202 data plane functions supported by VPP.
 203
 204 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 205
 206 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 207   with Intel xl710 NIC.
 208 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 209   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 210
 211 TRex Traffic Generator Usage
 212 ----------------------------
 213
 214 `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 215 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 216 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 217 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 218 specific configuration.
 219
 220 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 221
 222 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 223   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
 224 - TRex configuration is set in its configuration file
 225   ::
 226
 227   /etc/trex_cfg.yaml
 228
 229 - TRex is started in the background mode
 230   ::
 231
 232   $ sh -c 'cd <t-rex-install-dir>/scripts/ && sudo nohup ./t-rex-64 -i -c 7 --iom 0 > /tmp/trex.log 2>&1 &' > /dev/null
 233
 234 - There are traffic streams dynamically prepared for each test, based on traffic
 235   profiles. The traffic is sent and the statistics obtained using
 236   :command:`trex_stl_lib.api.STLClient`.
 237
 238 **Measuring packet loss**
 239
 240 - Create an instance of STLClient
 241 - Connect to the client
 242 - Add all streams
 243 - Clear statistics
 244 - Send the traffic for defined time
 245 - Get the statistics
 246
 247 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 248 the statistics are ignored.
 249
 250 **Measuring latency**
 251
 252 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 253 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 254 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.
 255
 256 TCP/IP tests with WRK tool
 257 --------------------------
 258
 259 `WRK HTTP benchmarking tool <https://github.com/wg/wrk>`_ is used for
 260 experimental TCP/IP and HTTP tests of VPP TCP/IP stack and built-in
 261 static HTTP server. WRK has been chosen as it is capable of generating
 262 significant TCP/IP and HTTP loads by scaling number of threads across
 263 multi-core processors.
 264
 265 This in turn enables quite high scale benchmarking of the main TCP/IP
 266 and HTTP service including HTTP TCP/IP Connections-Per-Second (CPS),
 267 HTTP Requests-Per-Second and HTTP Bandwidth Throughput.
 268
 269 The initial tests are designed as follows:
 270
 271 - HTTP and TCP/IP Connections-Per-Second (CPS)
 272
 273   - WRK configured to use 8 threads across 8 cores, 1 thread per core.
 274   - Maximum of 50 concurrent connections across all WRK threads.
 275   - Timeout for server responses set to 5 seconds.
 276   - Test duration is 30 seconds.
 277   - Expected HTTP test sequence:
 278
 279     - Single HTTP GET Request sent per open connection.
 280     - Connection close after valid HTTP reply.
 281     - Resulting flow sequence - 8 packets: >S,<S-A,>A,>Req,<Rep,>F,<F,> A.
 282
 283 - HTTP Requests-Per-Second
 284
 285   - WRK configured to use 8 threads across 8 cores, 1 thread per core.
 286   - Maximum of 50 concurrent connections across all WRK threads.
 287   - Timeout for server responses set to 5 seconds.
 288   - Test duration is 30 seconds.
 289   - Expected HTTP test sequence:
 290
 291     - Multiple HTTP GET Requests sent in sequence per open connection.
 292     - Connection close after set test duration time.
 293     - Resulting flow sequence: >S,<S-A,>A,>Req[1],<Rep[1],..,>Req[n],<Rep[n],>F,<F,>A.