docs/report/vpp_performance_tests/overview.rst

   1 Overview
   2 ========
   3
   4 .. _tested_physical_topologies:
   5
   6 Tested Physical Topologies
   7 --------------------------
   8
   9 CSIT VPP performance tests are executed on physical baremetal servers hosted by
  10 :abbr:`LF (Linux Foundation)` FD.io project. Testbed physical topology is shown
  11 in the figure below.::
  12
  13     +------------------------+           +------------------------+
  14     |                        |           |                        |
  15     |  +------------------+  |           |  +------------------+  |
  16     |  |                  |  |           |  |                  |  |
  17     |  |                  <----------------->                  |  |
  18     |  |       DUT1       |  |           |  |       DUT2       |  |
  19     |  +--^---------------+  |           |  +---------------^--+  |
  20     |     |                  |           |                  |     |
  21     |     |            SUT1  |           |  SUT2            |     |
  22     +------------------------+           +------------------^-----+
  23           |                                                 |
  24           |                                                 |
  25           |                  +-----------+                  |
  26           |                  |           |                  |
  27           +------------------>    TG     <------------------+
  28                              |           |
  29                              +-----------+
  30
  31 SUT1 and SUT2 are two System Under Test servers (Cisco UCS C240, each with two
  32 Intel XEON CPUs), TG is a Traffic Generator (TG, another Cisco UCS C240, with
  33 two Intel XEON CPUs). SUTs run VPP SW application in Linux user-mode as a
  34 Device Under Test (DUT). TG runs TRex SW application as a packet Traffic
  35 Generator. Physical connectivity between SUTs and to TG is provided using
  36 different NIC models that need to be tested for performance. Currently
  37 installed and tested NIC models include:
  38
  39 #. 2port10GE X520-DA2 Intel.
  40 #. 2port10GE X710 Intel.
  41 #. 2port10GE VIC1227 Cisco.
  42 #. 2port40GE VIC1385 Cisco.
  43 #. 2port40GE XL710 Intel.
  44
  45 From SUT and DUT perspective, all performance tests involve forwarding packets
  46 between two physical Ethernet ports (10GE or 40GE). Due to the number of
  47 listed NIC models tested and available PCI slot capacity in SUT servers, in
  48 all of the above cases both physical ports are located on the same NIC. In
  49 some test cases this results in measured packet throughput being limited not
  50 by VPP DUT but by either the physical interface or the NIC capacity.
  51
  52 Going forward CSIT project will be looking to add more hardware into FD.io
  53 performance labs to address larger scale multi-interface and multi-NIC
  54 performance testing scenarios.
  55
  56 For test cases that require DUT (VPP) to communicate with
  57 VirtualMachines (VMs) / LinuxContainers (LXCs) over vhost-user/memif
  58 interfaces, N of VM/LXC instances are created on SUT1 and SUT2. For N=1
  59 DUT forwards packets between vhost/memif and physical interfaces. For
  60 N>1 DUT a logical service chain forwarding topology is created on DUT by
  61 applying L2 or IPv4/IPv6 configuration depending on the test suite. DUT
  62 test topology with N VM/LXC instances is shown in the figure below
  63 including applicable packet flow thru the DUTs and VMs/LXCs (marked in
  64 the figure with ``***``).::
  65
  66     +-------------------------+           +-------------------------+
  67     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
  68     | |VM/LXC[1]| |VM/LXC[N]| |           | |VM/LXC[1]| |VM/LXC[N]| |
  69     | |  *****  | |  *****  | |           | |  *****  | |  *****  | |
  70     | +--^---^--+ +--^---^--+ |           | +--^---^--+ +--^---^--+ |
  71     |   *|   |*     *|   |*   |           |   *|   |*     *|   |*   |
  72     | +--v---v-------v---v--+ |           | +--v---v-------v---v--+ |
  73     | |  *   *       *   *  |*|***********|*|  *   *       *   *  | |
  74     | |  *   *********   ***<-|-----------|->***   *********   *  | |
  75     | |  *    DUT1          | |           | |       DUT2       *  | |
  76     | +--^------------------+ |           | +------------------^--+ |
  77     |   *|                    |           |                    |*   |
  78     |   *|            SUT1    |           |  SUT2              |*   |
  79     +-------------------------+           +-------------------------+
  80         *|                                                     |*
  81         *|                                                     |*
  82         *|                    +-----------+                    |*
  83         *|                    |           |                    |*
  84         *+-------------------->    TG     <--------------------+*
  85         **********************|           |**********************
  86                               +-----------+
  87
  88 For VM/LXC tests, packets are switched by DUT multiple times: twice for
  89 a single VM/LXC, three times for two VMs/LXCs, N+1 times for N VMs/LXCs.
  90 Hence the external throughput rates measured by TG and listed in this
  91 report must be multiplied by (N+1) to represent the actual DUT aggregate
  92 packet forwarding rate.
  93
  94 Note that reported DUT (VPP) performance results are specific to the SUTs
  95 tested. Current :abbr:`LF (Linux Foundation)` FD.io SUTs are based on Intel
  96 XEON E5-2699v3 2.3GHz CPUs. SUTs with other CPUs are likely to yield different
  97 results. A good rule of thumb, that can be applied to estimate VPP packet
  98 thoughput for Phy-to-Phy (NIC-to-NIC, PCI-to-PCI) topology, is to expect
  99 the forwarding performance to be proportional to CPU core frequency,
 100 assuming CPU is the only limiting factor and all other SUT parameters
 101 equivalent to FD.io CSIT environment. The same rule of thumb can be also
 102 applied for Phy-to-VM/LXC-to-Phy (NIC-to-VM/LXC-to-NIC) topology, but due to
 103 much higher dependency on intensive memory operations and sensitivity to Linux
 104 kernel scheduler settings and behaviour, this estimation may not always yield
 105 good enough accuracy.
 106
 107 For detailed :abbr:`LF (Linux Foundation)` FD.io test bed specification and
 108 physical topology please refer to `LF FD.io CSIT testbed wiki page
 109 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/CSIT_LF_testbed>`_.
 110
 111 Performance Tests Coverage
 112 --------------------------
 113
 114 Performance tests are split into two main categories:
 115
 116 - Throughput discovery - discovery of packet forwarding rate using binary search
 117   in accordance to :rfc:`2544`.
 118
 119   - NDR - discovery of Non Drop Rate packet throughput, at zero packet loss;
 120     followed by one-way packet latency measurements at 10%, 50% and 100% of
 121     discovered NDR throughput.
 122   - PDR - discovery of Partial Drop Rate, with specified non-zero packet loss
 123     currently set to 0.5%; followed by one-way packet latency measurements at
 124     100% of discovered PDR throughput.
 125
 126 - Throughput verification - verification of packet forwarding rate against
 127   previously discovered throughput rate. These tests are currently done against
 128   0.9 of reference NDR, with reference rates updated periodically.
 129
 130 CSIT |release| includes following performance test suites, listed per NIC type:
 131
 132 - 2port10GE X520-DA2 Intel
 133
 134   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged, dot1q, dot1ad
 135     VLAN tagged Ethernet frames.
 136   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 137     with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be added.
 138   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 139   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 140   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 141   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 142   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 143     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 144     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 145   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
 146   - **iACL** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with iACL address security.
 147   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
 148     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
 149   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
 150   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
 151     (IPv4).
 152   - **CGNAT** - Carrier Grade Network Address Translation tests with varying
 153     number of users and ports per user.
 154
 155 - 2port40GE XL710 Intel
 156
 157   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
 158   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 159     with MAC learning.
 160   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 161   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 162   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 163     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 164     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 165   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
 166     with IPv4 routed-forwarding.
 167   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
 168     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
 169
 170 - 2port10GE X710 Intel
 171
 172   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 173     with MAC learning.
 174   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
 175     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
 176
 177 - 2port10GE VIC1227 Cisco
 178
 179   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 180     with MAC learning.
 181
 182 - 2port40GE VIC1385 Cisco
 183
 184   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 185      with MAC learning.
 186
 187 Execution of performance tests takes time, especially the throughput discovery
 188 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
 189 by :abbr:`LF (Linux Foundation)`, the number of tests for NICs other than X520
 190 (a.k.a. Niantic) has been limited to few baseline tests. CSIT team expect the
 191 HW testbed resources to grow over time, so that complete set of performance
 192 tests can be regularly and(or) continuously executed against all models of
 193 hardware present in FD.io labs.
 194
 195 Performance Tests Naming
 196 ------------------------
 197
 198 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all performance
 199 and system functional tests, introduced in CSIT |release-1|.
 200
 201 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete description
 202 of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
 203 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
 204
 205 Methodology: Multi-Core and Multi-Threading
 206 -------------------------------------------
 207
 208 **Intel Hyper-Threading** - CSIT |release| performance tests are executed with
 209 SUT servers' Intel XEON processors configured in Intel Hyper-Threading Disabled
 210 mode (BIOS setting). This is the simplest configuration used to establish
 211 baseline single-thread single-core application packet processing and forwarding
 212 performance. Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
 213 Hyper-Threading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot of
 214 server).
 215
 216 **Multi-core Tests** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
 217 following VPP thread and core configurations:
 218
 219 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 220 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 221
 222 VPP worker threads are the data plane threads. VPP control thread is running on
 223 a separate non-isolated core together with other Linux processes. Note that in
 224 quite a few test cases running VPP workers on 2 physical cores hits the tested
 225 NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
 226
 227 Methodology: Packet Throughput
 228 ------------------------------
 229
 230 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 231
 232 - NDR binary search per :rfc:`2544`:
 233
 234   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 235     (2x <per direction packets-per-second>)"
 236   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 237     second> Gbps (untagged)"
 238
 239 - PDR binary search per :rfc:`2544`:
 240
 241   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 242     <per direction packets-per-second>)"
 243   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 244     second> Gbps (untagged)"
 245   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 246     lost at PDR rate>""
 247
 248 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 249
 250   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 251   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 252
 253 All rates are reported from external Traffic Generator perspective.
 254
 255 Methodology: Packet Latency
 256 ---------------------------
 257
 258 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 259 latency values are measured using following methodology:
 260
 261 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 262   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 263 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 264   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 265   load streams.
 266 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 267   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 268   expected to report latency percentiles.
 269 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 270   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 271   should be divided by two.
 272 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 273   FD.io labs used by CSIT project.
 274 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 275   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 276   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 277   interface line.
 278
 279
 280 Methodology: KVM VM vhost
 281 -------------------------
 282
 283 CSIT |release| introduced test environment configuration changes to KVM Qemu
 284 vhost-user tests in order to more representatively measure |vpp-release|
 285 performance in configurations with vhost-user interfaces and different Qemu
 286 settings.
 287
 288 FD.io CSIT performance lab is testing VPP vhost with KVM VMs using following
 289 environment settings:
 290
 291 - Tests with varying Qemu virtio queue (a.k.a. vring) sizes: [vr256] default 256
 292   descriptors, [vr1024] 1024 descriptors to optimize for packet throughput;
 293
 294 - Tests with varying Linux :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` settings:
 295   [cfs] default settings, [cfsrr1] CFS RoundRobin(1) policy applied to all data
 296   plane threads handling test packet path including all VPP worker threads and
 297   all Qemu testpmd poll-mode threads;
 298
 299 - Resulting test cases are all combinations with [vr256,vr1024] and
 300   [cfs,cfsrr1] settings;
 301
 302 - Adjusted Linux kernel :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` scheduler policy
 303   for data plane threads used in CSIT is documented in
 304   `CSIT Performance Environment Tuning wiki <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604>`_.
 305   The purpose is to verify performance impact (NDR, PDR throughput) and
 306   same test measurements repeatability, by making VPP and VM data plane
 307   threads less susceptible to other Linux OS system tasks hijacking CPU
 308   cores running those data plane threads.
 309
 310 Methodology: LXC and Docker Containers memif
 311 --------------------------------------------
 312
 313 CSIT |release| introduced additional tests taking advantage of VPP memif
 314 virtual interface (shared memory interface) tests to interconnect VPP
 315 instances. VPP vswitch instance runs in bare-metal user-mode handling
 316 Intel x520 NIC 10GbE interfaces and connecting over memif (Master side)
 317 virtual interfaces to more instances of VPP running in :abbr:`LXC (Linux
 318 Container)` or in Docker Containers,  both with memif virtual interfaces
 319 (Slave side). LXCs and Docker Containers run in a priviliged mode with
 320 VPP data plane worker threads pinned to dedicated physical CPU cores per
 321 usual CSIT practice. All VPP instances run the same version of software.
 322 This test topology is equivalent to existing tests with vhost-user and
 323 VMs as described earlier in :ref:`tested_physical_topologies`.
 324
 325 More information about CSIT LXC and Docker Container setup and control
 326 is available in :ref:`containter_orchestration_in_csit`.
 327
 328 Methodology: Container Topologies Orchestrated by K8s
 329 -----------------------------------------------------
 330
 331 CSIT |release| introduced new tests of Container topologies connected
 332 over the memif virtual interface (shared memory interface). In order to
 333 provide simple topology coding flexibility and extensibility container
 334 orchestration is done with `Kubernetes <https://github.com/kubernetes>`_
 335 using `Docker <https://github.com/docker>`_ images for all container
 336 applications including VPP. `Ligato <https://github.com/ligato>`_ is
 337 used to address the container networking orchestration that is
 338 integrated with K8s, including memif support.
 339
 340 For these tests VPP vswitch instance runs in a Docker Container handling
 341 Intel x520 NIC 10GbE interfaces and connecting over memif (Master side)
 342 virtual interfaces to more instances of VPP running in Docker Containers
 343 with memif virtual interfaces (Slave side). All Docker Containers run in
 344 a priviliged mode with VPP data plane worker threads pinned to dedicated
 345 physical CPU cores per usual CSIT practice. All VPP instances run the
 346 same version of software. This test topology is equivalent to existing
 347 tests with vhost-user and VMs as described earlier in
 348 :ref:`tested_physical_topologies`.
 349
 350 More information about CSIT Container Topologies Orchestrated by K8s is
 351 available in :ref:`containter_orchestration_in_csit`.
 352
 353 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
 354 ------------------------------------------
 355
 356 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 357 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 358 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 359 data plane functions supported by VPP.
 360
 361 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 362
 363 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 364   with Intel xl710 NIC.
 365 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 366   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 367
 368 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
 369 -----------------------------------------
 370
 371 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 372 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 373 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 374 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 375 specific configuration.
 376
 377 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 378
 379 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 380   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
 381 - TRex configuration is set in its configuration file
 382   ::
 383
 384   /etc/trex_cfg.yaml
 385
 386 - TRex is started in the background mode
 387   ::
 388
 389   $ 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
 390
 391 - There are traffic streams dynamically prepared for each test, based on traffic
 392   profiles. The traffic is sent and the statistics obtained using
 393   :command:`trex_stl_lib.api.STLClient`.
 394
 395 **Measuring packet loss**
 396
 397 - Create an instance of STLClient
 398 - Connect to the client
 399 - Add all streams
 400 - Clear statistics
 401 - Send the traffic for defined time
 402 - Get the statistics
 403
 404 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 405 the statistics are ignored.
 406
 407 **Measuring latency**
 408
 409 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 410 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 411 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.