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 the 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 discovery
 189 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
 190 by Linux Foundation, the number of tests for NICs other than X520 (a.k.a.
 191 Niantic) has been limited to few baseline tests. Over time we expect the HW
 192 testbed resources to grow, and will be adding complete set of performance
 193 tests for all models of hardware to be executed regularly and(or)
 194 continuously.
 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 Here few illustrative examples of the new naming usage for performance test
 207 suites:
 208
 209 #. **Physical port to physical port - a.k.a. NIC-to-NIC, Phy-to-Phy, P2P**
 210
 211    - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 212      PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-TestType*
 213    - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 214      Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain baseline switching
 215      with MAC learning, NDR throughput discovery.
 216    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-ndrchk.robot* => 2 ports of 10GE
 217      on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain baseline
 218      switching with MAC learning, NDR throughput discovery.
 219    - *10ge2p1x520-ethip4-ip4base-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on Intel
 220      x520 NIC, IPv4 baseline routed forwarding, NDR throughput discovery.
 221    - *10ge2p1x520-ethip6-ip6scale200k-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 222      Intel x520 NIC, IPv6 scaled up routed forwarding, NDR throughput
 223      discovery.
 224
 225 #. **Physical port to VM (or VM chain) to physical port - a.k.a. NIC2VM2NIC,
 226    P2V2P, NIC2VMchain2NIC, P2V2V2P**
 227
 228    - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 229      PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-VirtEncapsulation-
 230      VirtPortConfig-VMconfig-TestType*
 231    - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2 ports
 232      of 10GE on Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain
 233      switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 234      discovery.
 235    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2
 236      ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 237      switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 238      discovery.
 239    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-4vhost-2vm-ndrdisc.robot* => 2
 240      ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 241      switching to/from four vhost interfaces and two VMs, NDR throughput
 242      discovery.
 243
 244 Methodology: Multi-Thread and Multi-Core
 245 ----------------------------------------
 246
 247 **HyperThreading** - CSIT |release| performance tests are executed with SUT
 248 servers' Intel XEON CPUs configured in HyperThreading Disabled mode (BIOS
 249 settings). This is the simplest configuration used to establish baseline
 250 single-thread single-core SW packet processing and forwarding performance.
 251 Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
 252 HyperThreading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot).
 253
 254 **Multi-core Test** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
 255 following VPP thread and core configurations:
 256
 257 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 258 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 259
 260 Note that in quite a few test cases running VPP on 2 physical cores hits
 261 the tested NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
 262
 263 Methodology: Packet Throughput
 264 ------------------------------
 265
 266 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 267
 268 - NDR binary search per RFC2544:
 269
 270   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 271     (2x <per direction packets-per-second>)"
 272   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 273     second> Gbps (untagged)"
 274
 275 - PDR binary search per RFC2544:
 276
 277   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 278     <per direction packets-per-second>)"
 279   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 280     second> Gbps (untagged)"
 281   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 282     lost at PDR rate>""
 283
 284 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 285
 286   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 287   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 288
 289
 290 Methodology: Packet Latency
 291 ---------------------------
 292
 293 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 294 latency values are measured using following methodology:
 295
 296 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 297   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 298 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 299   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 300   load streams.
 301 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 302   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 303   expected to report latency percentiles.
 304 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 305   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 306   should be divided by two.
 307 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 308   FD.io labs used by CSIT project.
 309 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 310   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 311   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 312   interface line.
 313
 314
 315 Methodology: KVM VM vhost
 316 -------------------------
 317
 318 CSIT |release| introduced environment configuration changes to KVM Qemu vhost-
 319 user tests in order to more representatively measure |vpp-release| performance
 320 in configurations with vhost-user interfaces and VMs.
 321
 322 Current setup of CSIT FD.io performance lab is using tuned settings for more
 323 optimal performance of KVM Qemu:
 324
 325 - Qemu virtio queue size has been increased from default value of 256 to 1024
 326   descriptors.
 327 - Adjusted Linux kernel CFS scheduler settings, as detailed on this CSIT wiki
 328   page: https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604.
 329
 330 Adjusted Linux kernel CFS settings make the NDR and PDR throughput performance
 331 of VPP+VM system less sensitive to other Linux OS system tasks by reducing
 332 their interference on CPU cores that are designated for critical software
 333 tasks under test, namely VPP worker threads in host and Testpmd threads in
 334 guest dealing with data plan.
 335
 336 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
 337 ------------------------------------------
 338
 339 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 340 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 341 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 342 data plane functions supported by VPP.
 343
 344 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 345
 346 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 347   with Intel xl710 NIC.
 348 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 349   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 350
 351 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
 352 -----------------------------------------
 353
 354 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 355 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 356 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 357 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 358 specific configuration.
 359
 360 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 361
 362 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 363   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
 364 - TRex configuration is set in its configuration file
 365   ::
 366
 367   /etc/trex_cfg.yaml
 368
 369 - TRex is started in the background mode
 370   ::
 371
 372   $ 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
 373
 374 - There are traffic streams dynamically prepared for each test. The traffic
 375   is sent and the statistics obtained using trex_stl_lib.api.STLClient.
 376
 377 **Measuring packet loss**
 378
 379 - Create an instance of STLClient
 380 - Connect to the client
 381 - Add all streams
 382 - Clear statistics
 383 - Send the traffic for defined time
 384 - Get the statistics
 385
 386 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 387 the statistics are ignored.
 388
 389 **Measuring latency**
 390
 391 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 392 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 393 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.