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