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) / Containers (Linux or Docker Containers) over
  58 vhost-user/memif interfaces, N of VM/Ctr instances are created on SUT1
  59 and SUT2. For N=1 DUT forwards packets between vhost/memif and physical
  60 interfaces. For N>1 DUT a logical service chain forwarding topology is
  61 created on DUT by applying L2 or IPv4/IPv6 configuration depending on
  62 the test suite. DUT test topology with N VM/Ctr instances is shown in
  63 the figure below including applicable packet flow thru the DUTs and
  64 VMs/Ctrs (marked in the figure with ``***``).::
  65
  66     +-------------------------+           +-------------------------+
  67     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
  68     | |VM/Ctr[1]| |VM/Ctr[N]| |           | |VM/Ctr[1]| |VM/Ctr[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/Ctr tests, packets are switched by DUT multiple times: twice for
  89 a single VM/Ctr, three times for two VMs/Ctrs, N+1 times for N VMs/Ctrs.
  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/Ctr-to-Phy (NIC-to-VM/Ctr-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   - **L2BD Scale** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet
 139     frames with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be
 140     added with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 141   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 142   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 143   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 144   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 145   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 146     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 147     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 148   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
 149   - **ACL** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding and IPv4 and IPv6 routed-
 150     forwarding with iACL and oACL IP address, MAC address and L4 port security.
 151   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
 152     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
 153   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
 154   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
 155     (IPv4).
 156   - **NAT** - (Source) Network Address Translation tests with varying
 157     number of users and ports per user.
 158   - **Container memif connections** - VPP memif virtual interface tests to
 159     interconnect VPP instances with L2XC and L2BD.
 160   - **Container Orchestrated Topologies** - Container topologies connected over
 161     the memif virtual interface.
 162
 163 - 2port40GE XL710 Intel
 164
 165   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
 166   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 167     with MAC learning.
 168   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 169   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 170   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 171     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 172     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 173   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
 174     with IPv4 routed-forwarding.
 175   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
 176     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
 177
 178 - 2port10GE X710 Intel
 179
 180   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 181     with MAC learning.
 182   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
 183     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
 184
 185 - 2port10GE VIC1227 Cisco
 186
 187   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 188     with MAC learning.
 189
 190 - 2port40GE VIC1385 Cisco
 191
 192   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 193      with MAC learning.
 194
 195 Execution of performance tests takes time, especially the throughput discovery
 196 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
 197 by :abbr:`LF (Linux Foundation)`, the number of tests for NICs other than X520
 198 (a.k.a. Niantic) has been limited to few baseline tests. CSIT team expect the
 199 HW testbed resources to grow over time, so that complete set of performance
 200 tests can be regularly and(or) continuously executed against all models of
 201 hardware present in FD.io labs.
 202
 203 Performance Tests Naming
 204 ------------------------
 205
 206 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all performance
 207 and system functional tests, introduced in CSIT |release-1|.
 208
 209 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete description
 210 of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
 211 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
 212
 213 Methodology: Multi-Core and Multi-Threading
 214 -------------------------------------------
 215
 216 **Intel Hyper-Threading** - CSIT |release| performance tests are executed with
 217 SUT servers' Intel XEON processors configured in Intel Hyper-Threading Disabled
 218 mode (BIOS setting). This is the simplest configuration used to establish
 219 baseline single-thread single-core application packet processing and forwarding
 220 performance. Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
 221 Hyper-Threading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot of
 222 server).
 223
 224 **Multi-core Tests** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
 225 following VPP thread and core configurations:
 226
 227 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 228 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 229
 230 VPP worker threads are the data plane threads. VPP control thread is running on
 231 a separate non-isolated core together with other Linux processes. Note that in
 232 quite a few test cases running VPP workers on 2 physical cores hits the tested
 233 NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
 234
 235 Methodology: Packet Throughput
 236 ------------------------------
 237
 238 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 239
 240 - NDR binary search per :rfc:`2544`:
 241
 242   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 243     (2x <per direction packets-per-second>)"
 244   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 245     second> Gbps (untagged)"
 246
 247 - PDR binary search per :rfc:`2544`:
 248
 249   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 250     <per direction packets-per-second>)"
 251   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 252     second> Gbps (untagged)"
 253   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 254     lost at PDR rate>""
 255
 256 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 257
 258   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 259   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 260
 261 All rates are reported from external Traffic Generator perspective.
 262
 263 Methodology: Packet Latency
 264 ---------------------------
 265
 266 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 267 latency values are measured using following methodology:
 268
 269 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 270   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 271 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 272   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 273   load streams.
 274 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 275   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 276   expected to report latency percentiles.
 277 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 278   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 279   should be divided by two.
 280 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 281   FD.io labs used by CSIT project.
 282 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 283   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 284   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 285   interface line.
 286
 287
 288 Methodology: KVM VM vhost
 289 -------------------------
 290
 291 CSIT |release| introduced test environment configuration changes to KVM Qemu
 292 vhost-user tests in order to more representatively measure |vpp-release|
 293 performance in configurations with vhost-user interfaces and different Qemu
 294 settings.
 295
 296 FD.io CSIT performance lab is testing VPP vhost with KVM VMs using following
 297 environment settings:
 298
 299 - Tests with varying Qemu virtio queue (a.k.a. vring) sizes: [vr256] default 256
 300   descriptors, [vr1024] 1024 descriptors to optimize for packet throughput;
 301
 302 - Tests with varying Linux :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` settings:
 303   [cfs] default settings, [cfsrr1] CFS RoundRobin(1) policy applied to all data
 304   plane threads handling test packet path including all VPP worker threads and
 305   all Qemu testpmd poll-mode threads;
 306
 307 - Resulting test cases are all combinations with [vr256,vr1024] and
 308   [cfs,cfsrr1] settings;
 309
 310 - Adjusted Linux kernel :abbr:`CFS (Completely Fair Scheduler)` scheduler policy
 311   for data plane threads used in CSIT is documented in
 312   `CSIT Performance Environment Tuning wiki <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604>`_.
 313   The purpose is to verify performance impact (NDR, PDR throughput) and
 314   same test measurements repeatability, by making VPP and VM data plane
 315   threads less susceptible to other Linux OS system tasks hijacking CPU
 316   cores running those data plane threads.
 317
 318 Methodology: LXC and Docker Containers memif
 319 --------------------------------------------
 320
 321 CSIT |release| introduced additional tests taking advantage of VPP memif
 322 virtual interface (shared memory interface) tests to interconnect VPP
 323 instances. VPP vswitch instance runs in bare-metal user-mode handling
 324 Intel x520 NIC 10GbE interfaces and connecting over memif (Master side)
 325 virtual interfaces to more instances of VPP running in :abbr:`LXC (Linux
 326 Container)` or in Docker Containers,  both with memif virtual interfaces
 327 (Slave side). LXCs and Docker Containers run in a priviliged mode with
 328 VPP data plane worker threads pinned to dedicated physical CPU cores per
 329 usual CSIT practice. All VPP instances run the same version of software.
 330 This test topology is equivalent to existing tests with vhost-user and
 331 VMs as described earlier in :ref:`tested_physical_topologies`.
 332
 333 More information about CSIT LXC and Docker Container setup and control
 334 is available in :ref:`containter_orchestration_in_csit`.
 335
 336 Methodology: Container Topologies Orchestrated by K8s
 337 -----------------------------------------------------
 338
 339 CSIT |release| introduced new tests of Container topologies connected
 340 over the memif virtual interface (shared memory interface). In order to
 341 provide simple topology coding flexibility and extensibility container
 342 orchestration is done with `Kubernetes <https://github.com/kubernetes>`_
 343 using `Docker <https://github.com/docker>`_ images for all container
 344 applications including VPP. `Ligato <https://github.com/ligato>`_ is
 345 used to address the container networking orchestration that is
 346 integrated with K8s, including memif support.
 347
 348 For these tests VPP vswitch instance runs in a Docker Container handling
 349 Intel x520 NIC 10GbE interfaces and connecting over memif (Master side)
 350 virtual interfaces to more instances of VPP running in Docker Containers
 351 with memif virtual interfaces (Slave side). All Docker Containers run in
 352 a priviliged mode with VPP data plane worker threads pinned to dedicated
 353 physical CPU cores per usual CSIT practice. All VPP instances run the
 354 same version of software. This test topology is equivalent to existing
 355 tests with vhost-user and VMs as described earlier in
 356 :ref:`tested_physical_topologies`.
 357
 358 More information about CSIT Container Topologies Orchestrated by K8s is
 359 available in :ref:`containter_orchestration_in_csit`.
 360
 361 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
 362 ------------------------------------------
 363
 364 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 365 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 366 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 367 data plane functions supported by VPP.
 368
 369 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 370
 371 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 372   with Intel xl710 NIC.
 373 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 374   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 375
 376 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
 377 -----------------------------------------
 378
 379 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 380 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 381 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 382 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 383 specific configuration.
 384
 385 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 386
 387 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 388   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
 389 - TRex configuration is set in its configuration file
 390   ::
 391
 392   /etc/trex_cfg.yaml
 393
 394 - TRex is started in the background mode
 395   ::
 396
 397   $ 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
 398
 399 - There are traffic streams dynamically prepared for each test, based on traffic
 400   profiles. The traffic is sent and the statistics obtained using
 401   :command:`trex_stl_lib.api.STLClient`.
 402
 403 **Measuring packet loss**
 404
 405 - Create an instance of STLClient
 406 - Connect to the client
 407 - Add all streams
 408 - Clear statistics
 409 - Send the traffic for defined time
 410 - Get the statistics
 411
 412 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 413 the statistics are ignored.
 414
 415 **Measuring latency**
 416
 417 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 418 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 419 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.