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 VM(s) over vhost-user
  56 interfaces, N of VM instances are created on SUT1 and SUT2. For N=1 DUT (VPP)
  57 forwards packets between vhostuser and physical interfaces. For N>1 DUT (VPP) a
  58 logical service chain forwarding topology is created on DUT (VPP) by applying L2
  59 or IPv4/IPv6 configuration depending on the test suite.
  60 DUT (VPP) test topology with N VM instances
  61 is shown in the figure below including applicable packet flow thru the DUTs and
  62 VMs (marked in the figure with ``***``).
  63
  64 ::
  65
  66     +-------------------------+           +-------------------------+
  67     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
  68     | |  VM[1]  | |  VM[N]  | |           | |  VM[1]  | |  VM[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 tests, packets are switched by DUT (VPP) multiple times: twice for a
  89 single VM, three times for two VMs, N+1 times for N VMs.
  90 Hence the external
  91 throughput rates measured by TG and listed in this report must be multiplied
  92 by (N+1) to represent the actual DUT aggregate packet forwarding rate.
  93
  94 Note that reported VPP performance results are specific to the SUTs tested.
  95 Current LF FD.io SUTs are based on Intel XEON E5-2699v3 2.3GHz CPUs. SUTs with
  96 other CPUs are likely to yield different results. A good rule of thumb, that
  97 can be applied to estimate VPP packet thoughput for Phy-to-Phy (NIC-to-NIC,
  98 PCI-to-PCI) topology, is to expect the forwarding performance to be
  99 proportional to CPU core frequency, assuming CPU is the only limiting factor
 100 and all other SUT parameters equivalent to FD.io CSIT environment. The same rule
 101 of thumb can be also applied for Phy-to-VM-to-Phy (NIC-to-VM-to-NIC) topology,
 102 but due to much higher dependency on intensive memory operations and
 103 sensitivity to Linux kernel scheduler settings and behaviour, this estimation
 104 may not always yield good enough accuracy.
 105
 106 For detailed LF FD.io test bed specification and physical topology please refer
 107 to `LF FDio CSIT testbed wiki page <https://wiki.fd.io/view/CSIT/CSIT_LF_testbed>`_.
 108
 109 Performance Tests Coverage
 110 --------------------------
 111
 112 Performance tests are split into the two main categories:
 113
 114 - Throughput discovery - discovery of packet forwarding rate using binary search
 115   in accordance to RFC2544.
 116
 117   - NDR - discovery of Non Drop Rate packet throughput, at zero packet loss;
 118     followed by one-way packet latency measurements at 10%, 50% and 100% of
 119     discovered NDR throughput.
 120   - PDR - discovery of Partial Drop Rate, with specified non-zero packet loss
 121     currently set to 0.5%; followed by one-way packet latency measurements at
 122     100% of discovered PDR throughput.
 123
 124 - Throughput verification - verification of packet forwarding rate against
 125   previously discovered throughput rate. These tests are currently done against
 126   0.9 of reference NDR, with reference rates updated periodically.
 127
 128 CSIT |release| includes following performance test suites, listed per NIC type:
 129
 130 - 2port10GE X520-DA2 Intel
 131
 132   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged, dot1q, dot1ad
 133     VLAN tagged Ethernet frames.
 134   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 135     with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be added.
 136   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 137   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 138   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 139   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 140   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 141     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 142     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 143   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
 144   - **iACL** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with iACL address security.
 145   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
 146     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
 147   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
 148   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
 149     (IPv4).
 150
 151 - 2port40GE XL710 Intel
 152
 153   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
 154   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 155     with MAC learning.
 156   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 157   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 158   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 159     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 160     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 161   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
 162     with IPv4 routed-forwarding.
 163   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
 164     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
 165
 166 - 2port10GE X710 Intel
 167
 168   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 169     with MAC learning.
 170   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
 171     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
 172
 173 - 2port10GE VIC1227 Cisco
 174
 175   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 176     with MAC learning.
 177
 178 - 2port40GE VIC1385 Cisco
 179
 180   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 181      with MAC learning.
 182
 183 Execution of performance tests takes time, especially the throughput discovery
 184 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
 185 by Linux Foundation, the number of tests for NICs other than X520 (a.k.a.
 186 Niantic) has been limited to few baseline tests. Over time we expect the HW
 187 testbed resources to grow, and will be adding complete set of performance
 188 tests for all models of hardware to be executed regularly and(or)
 189 continuously.
 190
 191 Performance Tests Naming
 192 ------------------------
 193
 194 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all
 195 performance and system functional tests, introduced in CSIT rls1701.
 196
 197 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete
 198 description of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
 199 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
 200
 201 Here few illustrative examples of the new naming usage for performance test
 202 suites:
 203
 204 #. **Physical port to physical port - a.k.a. NIC-to-NIC, Phy-to-Phy, P2P**
 205
 206     - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 207       PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-TestType*
 208     - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 209       Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain baseline switching
 210       with MAC learning, NDR throughput discovery.
 211     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-ndrchk.robot* => 2 ports of 10GE
 212       on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain baseline
 213       switching with MAC learning, NDR throughput discovery.
 214     - *10ge2p1x520-ethip4-ip4base-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on Intel
 215       x520 NIC, IPv4 baseline routed forwarding, NDR throughput discovery.
 216     - *10ge2p1x520-ethip6-ip6scale200k-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 217       Intel x520 NIC, IPv6 scaled up routed forwarding, NDR throughput
 218       discovery.
 219
 220 #. **Physical port to VM (or VM chain) to physical port - a.k.a. NIC2VM2NIC,
 221    P2V2P, NIC2VMchain2NIC, P2V2V2P**
 222
 223     - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 224       PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-VirtEncapsulation-
 225       VirtPortConfig-VMconfig-TestType*
 226     - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2 ports
 227       of 10GE on Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain
 228       switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 229       discovery.
 230     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2
 231       ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 232       switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 233       discovery.
 234     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-4vhost-2vm-ndrdisc.robot* => 2
 235       ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 236       switching to/from four vhost interfaces and two VMs, NDR throughput
 237       discovery.
 238
 239 Methodology: Multi-Thread and Multi-Core
 240 ----------------------------------------
 241
 242 **HyperThreading** - CSIT |release| performance tests are executed with SUT
 243 servers' Intel XEON CPUs configured in HyperThreading Disabled mode (BIOS
 244 settings). This is the simplest configuration used to establish baseline
 245 single-thread single-core SW packet processing and forwarding performance.
 246 Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
 247 HyperThreading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot).
 248
 249 **Multi-core Test** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
 250 following VPP thread and core configurations:
 251
 252 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 253 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 254
 255 Note that in quite a few test cases running VPP on 2 physical cores hits
 256 the tested NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
 257
 258 Methodology: Packet Throughput
 259 ------------------------------
 260
 261 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 262
 263 - NDR binary search per RFC2544:
 264
 265   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 266     (2x <per direction packets-per-second>)"
 267   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 268     second> Gbps (untagged)"
 269
 270 - PDR binary search per RFC2544:
 271
 272   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 273     <per direction packets-per-second>)"
 274   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 275     second> Gbps (untagged)"
 276   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 277     lost at PDR rate>""
 278
 279 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 280
 281   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 282   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 283
 284
 285 Methodology: Packet Latency
 286 ---------------------------
 287
 288 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 289 latency values are measured using following methodology:
 290
 291 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 292   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 293 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 294   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 295   load streams.
 296 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 297   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 298   expected to report latency percentiles.
 299 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 300   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 301   should be divided by two.
 302 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 303   FD.io labs used by CSIT project.
 304 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 305   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 306   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 307   interface line.
 308
 309
 310 Methodology: KVM VM vhost
 311 -------------------------
 312
 313 CSIT |release| introduced environment configuration changes to KVM Qemu vhost-
 314 user tests in order to more representatively measure VPP-17.04 performance in
 315 configurations with vhost-user interfaces and VMs.
 316
 317 Current setup of CSIT FD.io performance lab is using tuned settings for more
 318 optimal performance of KVM Qemu:
 319
 320 - Qemu virtio queue size has been increased from default value of 256 to 1024
 321   descriptors.
 322 - Adjusted Linux kernel CFS scheduler settings, as detailed on this CSIT wiki
 323   page: https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604.
 324
 325 Adjusted Linux kernel CFS settings make the NDR and PDR throughput performance
 326 of VPP+VM system less sensitive to other Linux OS system tasks by reducing
 327 their interference on CPU cores that are designated for critical software
 328 tasks under test, namely VPP worker threads in host and Testpmd threads in
 329 guest dealing with data plan.