docs/report/vpp_performance_tests/overview.rst

   1 Overview
   2 ========
   3
   4 Tested Physical Topologies
   5 --------------------------
   6
   7 CSIT VPP performance tests are executed on physical baremetal servers hosted by
   8 LF FD.io project. Testbed physical topology is shown in the figure below.
   9
  10 ::
  11
  12     +------------------------+           +------------------------+
  13     |                        |           |                        |
  14     |  +------------------+  |           |  +------------------+  |
  15     |  |                  |  |           |  |                  |  |
  16     |  |                  <----------------->                  |  |
  17     |  |       DUT1       |  |           |  |       DUT2       |  |
  18     |  +--^---------------+  |           |  +---------------^--+  |
  19     |     |                  |           |                  |     |
  20     |     |            SUT1  |           |  SUT2            |     |
  21     +------------------------+           +------------------^-----+
  22           |                                                 |
  23           |                                                 |
  24           |                  +-----------+                  |
  25           |                  |           |                  |
  26           +------------------>    TG     <------------------+
  27                              |           |
  28                              +-----------+
  29
  30 SUT1 and SUT2 are two System Under Test servers (Cisco UCS C240, each with two
  31 Intel XEON CPUs), TG is a Traffic Generator (TG, another Cisco UCS C240, with
  32 two Intel XEON CPUs). SUTs run VPP SW application in Linux user-mode as a
  33 Device Under Test (DUT). TG runs TRex SW application as a packet Traffic
  34 Generator. Physical connectivity between SUTs and to TG is provided using
  35 different NIC models that need to be tested for performance. Currently
  36 installed and tested NIC models include:
  37
  38 #. 2port10GE X520-DA2 Intel.
  39 #. 2port10GE X710 Intel.
  40 #. 2port10GE VIC1227 Cisco.
  41 #. 2port40GE VIC1385 Cisco.
  42 #. 2port40GE XL710 Intel.
  43
  44 From SUT and DUT perspective, all performance tests involve forwarding packets
  45 between two physical Ethernet ports (10GE or 40GE). Due to the number of
  46 listed NIC models tested and available PCI slot capacity in SUT servers, in
  47 all of the above cases both physical ports are located on the same NIC. In
  48 some test cases this results in measured packet throughput being limited not
  49 by VPP DUT but by either the physical interface or the NIC capacity.
  50
  51 Going forward CSIT project will be looking to add more hardware into FD.io
  52 performance labs to address larger scale multi-interface and multi-NIC
  53 performance testing scenarios.
  54
  55 For test cases that require DUT (VPP) to communicate with
  56 VirtualMachines(VMs)/LinuxContainers(LXCs) over vhost-user/memif
  57 interfaces, N of VM/LXC instances are created on SUT1 and SUT2. For N=1
  58 DUT forwards packets between vhost/memif and physical interfaces. For
  59 N>1 DUT a logical service chain forwarding topology is created on DUT by
  60 applying L2 or IPv4/IPv6 configuration depending on the test suite. DUT
  61 test topology with N VM/LXC instances is shown in the figure below
  62 including applicable packet flow thru the DUTs and VMs/LXCs (marked in
  63 the figure with ``***``).
  64
  65 ::
  66
  67     +-------------------------+           +-------------------------+
  68     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
  69     | |VM/LXC[1]| |VM/LXC[N]| |           | |VM/LXC[1]| |VM/LXC[N]| |
  70     | |  *****  | |  *****  | |           | |  *****  | |  *****  | |
  71     | +--^---^--+ +--^---^--+ |           | +--^---^--+ +--^---^--+ |
  72     |   *|   |*     *|   |*   |           |   *|   |*     *|   |*   |
  73     | +--v---v-------v---v--+ |           | +--v---v-------v---v--+ |
  74     | |  *   *       *   *  |*|***********|*|  *   *       *   *  | |
  75     | |  *   *********   ***<-|-----------|->***   *********   *  | |
  76     | |  *    DUT1          | |           | |       DUT2       *  | |
  77     | +--^------------------+ |           | +------------------^--+ |
  78     |   *|                    |           |                    |*   |
  79     |   *|            SUT1    |           |  SUT2              |*   |
  80     +-------------------------+           +-------------------------+
  81         *|                                                     |*
  82         *|                                                     |*
  83         *|                    +-----------+                    |*
  84         *|                    |           |                    |*
  85         *+-------------------->    TG     <--------------------+*
  86         **********************|           |**********************
  87                               +-----------+
  88
  89 For VM/LXC tests, packets are switched by DUT multiple times: twice for
  90 a single VM/LXC, three times for two VMs/LXCs, N+1 times for N VMs/LXCs.
  91 Hence the external throughput rates measured by TG and listed in this
  92 report must be multiplied by (N+1) to represent the actual DUT aggregate
  93 packet forwarding rate.
  94
  95 Note that reported DUT (VPP) performance results are specific to the
  96 SUTs tested. Current LF FD.io SUTs are based on Intel XEON E5-2699v3
  97 2.3GHz CPUs. SUTs with other CPUs are likely to yield different results.
  98 A good rule of thumb, that can be applied to estimate VPP packet
  99 thoughput for Phy-to-Phy (NIC-to-NIC, PCI-to-PCI) topology, is to expect
 100 the forwarding performance to be proportional to CPU core frequency,
 101 assuming CPU is the only limiting factor and all other SUT parameters
 102 equivalent to FD.io CSIT environment. The same rule of thumb can be also
 103 applied for Phy-to-VM/LXC-to-Phy (NIC-to-VM/LXC-to-NIC) topology, but
 104 due to much higher dependency on intensive memory operations and
 105 sensitivity to Linux kernel scheduler settings and behaviour, this
 106 estimation may not always yield good enough accuracy.
 107
 108 For detailed LF FD.io test bed specification and physical topology
 109 please refer to
 110 `LF FD.io CSIT testbed wiki page <https://wiki.fd.io/view/CSIT/CSIT_LF_testbed>`_.
 111
 112 Performance Tests Coverage
 113 --------------------------
 114
 115 Performance tests are split into two main categories:
 116
 117 - Throughput discovery - discovery of packet forwarding rate using binary search
 118   in accordance to RFC2544.
 119
 120   - NDR - discovery of Non Drop Rate packet throughput, at zero packet loss;
 121     followed by one-way packet latency measurements at 10%, 50% and 100% of
 122     discovered NDR throughput.
 123   - PDR - discovery of Partial Drop Rate, with specified non-zero packet loss
 124     currently set to 0.5%; followed by one-way packet latency measurements at
 125     100% of discovered PDR throughput.
 126
 127 - Throughput verification - verification of packet forwarding rate against
 128   previously discovered throughput rate. These tests are currently done against
 129   0.9 of reference NDR, with reference rates updated periodically.
 130
 131 CSIT |release| includes following performance test suites, listed per NIC type:
 132
 133 - 2port10GE X520-DA2 Intel
 134
 135   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged, dot1q, dot1ad
 136     VLAN tagged Ethernet frames.
 137   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 138     with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be added.
 139   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 140   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 141   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 142   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 143   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 144     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 145     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 146   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
 147   - **iACL** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with iACL address security.
 148   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
 149     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
 150   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
 151   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
 152     (IPv4).
 153   - **CGNAT** - Carrier Grade Network Address Translation tests with varying
 154     number of users and ports per user.
 155
 156 - 2port40GE XL710 Intel
 157
 158   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
 159   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 160     with MAC learning.
 161   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 162   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 163   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 164     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 165     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 166   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
 167     with IPv4 routed-forwarding.
 168   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
 169     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
 170
 171 - 2port10GE X710 Intel
 172
 173   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 174     with MAC learning.
 175   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
 176     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
 177
 178 - 2port10GE VIC1227 Cisco
 179
 180   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 181     with MAC learning.
 182
 183 - 2port40GE VIC1385 Cisco
 184
 185   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 186      with MAC learning.
 187
 188 Execution of performance tests takes time, especially the throughput
 189 discovery tests. Due to limited HW testbed resources available within
 190 FD.io labs hosted by Linux Foundation, the number of tests for NICs
 191 other than X520 (a.k.a. Niantic) has been limited to few baseline tests.
 192 CSIT team expect the HW testbed resources to grow over time, so that
 193 complete set of performance tests can be regularly and(or) continuously
 194 executed against all models of hardware present in FD.io labs.
 195
 196 Performance Tests Naming
 197 ------------------------
 198
 199 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all
 200 performance and system functional tests, introduced in CSIT |release-1|.
 201
 202 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete
 203 description of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
 204 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
 205
 206 Methodology: Multi-Core and Multi-Threading
 207 -------------------------------------------
 208
 209 **Intel Hyper-Threading** - CSIT |release| performance tests are
 210 executed with SUT servers' Intel XEON processors configured in Intel
 211 Hyper-Threading Disabled mode (BIOS setting). This is the simplest
 212 configuration used to establish baseline single-thread single-core
 213 application packet processing and forwarding performance. Subsequent
 214 releases of CSIT will add performance tests with Intel Hyper-Threading
 215 Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot of server).
 216
 217 **Multi-core Tests** - CSIT |release| multi-core tests are executed in
 218 the following VPP thread and core configurations:
 219
 220 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 221 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 222
 223 VPP worker threads are the data plane threads. VPP control thread is
 224 running on a separate non-isolated core together with other Linux
 225 processes. Note that in quite a few test cases running VPP workers on 2
 226 physical cores hits the tested NIC I/O bandwidth or packets-per-second
 227 limit.
 228
 229 Methodology: Packet Throughput
 230 ------------------------------
 231
 232 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 233
 234 - NDR binary search per RFC2544:
 235
 236   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 237     (2x <per direction packets-per-second>)"
 238   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 239     second> Gbps (untagged)"
 240
 241 - PDR binary search per RFC2544:
 242
 243   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 244     <per direction packets-per-second>)"
 245   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 246     second> Gbps (untagged)"
 247   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 248     lost at PDR rate>""
 249
 250 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 251
 252   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 253   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 254
 255 All rates are reported from external Traffic Generator perspective.
 256
 257 Methodology: Packet Latency
 258 ---------------------------
 259
 260 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 261 latency values are measured using following methodology:
 262
 263 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 264   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 265 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 266   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 267   load streams.
 268 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 269   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 270   expected to report latency percentiles.
 271 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 272   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 273   should be divided by two.
 274 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 275   FD.io labs used by CSIT project.
 276 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 277   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 278   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 279   interface line.
 280
 281
 282 Methodology: KVM VM vhost
 283 -------------------------
 284
 285 CSIT |release| introduced test environment configuration changes to KVM Qemu vhost-
 286 user tests in order to more representatively measure |vpp-release| performance
 287 in configurations with vhost-user interfaces and different Qemu settings.
 288
 289 FD.io CSIT performance lab is testing VPP vhost with KVM VMs using following environment settings
 290
 291 - Tests with varying Qemu virtio queue (a.k.a. vring) sizes:
 292   [vr256] default 256 descriptors, [vr1024] 1024 descriptors to
 293   optimize for packet throughput;
 294
 295 - Tests with varying Linux CFS (Completely Fair Scheduler)
 296   settings: [cfs] default settings, [cfsrr1] CFS RoundRobin(1)
 297   policy applied to all data plane threads handling test packet
 298   path including all VPP worker threads and all Qemu testpmd
 299   poll-mode threads;
 300
 301 - Resulting test cases are all combinations with [vr256,vr1024] and
 302   [cfs,cfsrr1] settings;
 303
 304 - Adjusted Linux kernel CFS scheduler policy for data plane threads used
 305   in CSIT is documented in
 306   `CSIT Performance Environment Tuning wiki <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604>`_.
 307   The purpose is to verify performance impact (NDR, PDR throughput) and
 308   same test measurements repeatability, by making VPP and VM data plane
 309   threads less susceptible to other Linux OS system tasks hijacking CPU
 310   cores running those data plane threads.
 311
 312 Methodology: LXC Container memif
 313 --------------------------------
 314
 315 CSIT |release| introduced new tests - VPP Memif virtual interface
 316 (shared memory interface) tests  interconnecting VPP instances over
 317 memif. VPP vswitch  instance runs in bare-metal user-mode handling Intel
 318 x520 NIC  10GbE interfaces and connecting over memif (Master side)
 319 virtual  interfaces to another instance of VPP running in bare-metal
 320 Linux  Container (LXC) with memif virtual interfaces (Slave side). LXC
 321 runs in a priviliged mode with VPP data plane worker threads  pinned to
 322 dedicated physical CPU cores per usual CSIT practice.  Both VPP run the
 323 same version of software. This test topology is  equivalent to existing
 324 tests with vhost-user and VMs.
 325
 326 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
 327 ------------------------------------------
 328
 329 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 330 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 331 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 332 data plane functions supported by VPP.
 333
 334 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 335
 336 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 337   with Intel xl710 NIC.
 338 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 339   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 340
 341 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
 342 -----------------------------------------
 343
 344 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 345 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 346 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 347 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 348 specific configuration.
 349
 350 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 351
 352 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 353   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
 354 - TRex configuration is set in its configuration file
 355   ::
 356
 357   /etc/trex_cfg.yaml
 358
 359 - TRex is started in the background mode
 360   ::
 361
 362   $ sh -c 'cd /opt/trex-core-2.25/scripts/ && sudo nohup ./t-rex-64 -i -c 7 --iom 0 > /dev/null 2>&1 &' > /dev/null
 363
 364 - There are traffic streams dynamically prepared for each test, based on traffic
 365   profiles. The traffic is sent and the statistics obtained using
 366   trex_stl_lib.api.STLClient.
 367
 368 **Measuring packet loss**
 369
 370 - Create an instance of STLClient
 371 - Connect to the client
 372 - Add all streams
 373 - Clear statistics
 374 - Send the traffic for defined time
 375 - Get the statistics
 376
 377 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 378 the statistics are ignored.
 379
 380 **Measuring latency**
 381
 382 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 383 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 384 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.