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@ -0,0 +1,401 @@
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\documentclass{beamer}
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\usetheme{focus}
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% Add option [numbering=none] to disable the footer progress bar
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% Add option [numbering=fullbar] to show the footer progress bar as always full with a slide count
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% Uncomment to enable the ice-blue theme
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%\definecolor{main}{RGB}{92, 138, 168}
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%\definecolor{background}{RGB}{240, 247, 255}
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\usepackage{booktabs} % Required for better table rules
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\usepackage{enumerate}
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\usepackage{xcolor, listings}
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\title{\includegraphics[scale=.45]{img/dpdk_logo.png}}
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%\subtitle{ein kurzer Überblick}
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\titlegraphic{\includegraphics[scale=.1]{img/tu_ilmenau_logo.png}}
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%\institute{Institute Name \\ Institute Address}
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\date{6.5.2021}
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\begin{document}
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\begin{frame}
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\maketitle % Automatically created using the information in the commands above
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\end{frame}
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\begin{frame}{Überblick über DPDK}
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\begin{itemize}
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\item Sammlung von Bibliotheken
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\item 2010 von Intel veröffentlicht
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\item freie OpenSource Lizenz
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\item unterstützt alle wichtigen CPU-Architekturen und NICs
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\end{itemize}
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\note{
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NIC = Network Interface Card á Netzwerkkarte
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Grundlegendes Problem}
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\begin{itemize}
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\item viele Engpässe verhindern Verarbeitung von Paketen
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\item Bottleneck im Linux Kernel selbst
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\item[$\rightarrow$] Kernel-Bypass
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\item[$\rightarrow$] Anwendungen kommunizieren direkt mit Netzwerkgeräten
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\end{itemize}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Fahrplan für Heute}
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\tableofcontents
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\end{frame}
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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% SECTION
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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\section{DPDK vs. Kernel Processing}
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\begin{frame}{Linux Kernel ohne DPDK}
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\begin{columns}
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\column{0.4\textwidth}
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/kernel_without_dpdk.png}
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\end{figure}
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\column{0.5\textwidth}
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\begin{itemize}
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\item Netzwerkkarte sendet Paket zu Warteschlange
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\item per DMA in Hauptspeicher kopieren
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\item Kernel weißt Puffer zu \alert{Interrupts!}
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\item Paket aus Puffer in User Space übertragen
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\end{itemize}
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\end{columns}
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\note{
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- Empfängt eine Netzwerkkarte ein Paket sendet sie es an eine Empfangswarteschlange
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- Von dort wird das Paket über DMA-Mechanismus (Direct Memory Access) in den Hauptspeicher kopiert.
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- Danach wird das System über das neue Paket benachrichtigt und das Paket von Linux einem Puffer (sk\_buff) zugewiesen. Für jedes neue Paket wird im System ein oder mehrere Interrupts erzeugt.
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- Das Paket muss dann noch in den User Space übetragen (kopiert) werden
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Linux Kernel mit DPDK}
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\begin{columns}
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\column{0.4\textwidth}
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/kernel_and_dpdk.png}
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\end{figure}
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\column{0.5\textwidth}
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\begin{itemize}
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\item Netzwerkports vom Kernel getrennt/ungebunden
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\item Eingehende Pakete gehen in Ringpuffer
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\item Wenn Puffer neue Paketdeskriptoren enthält, verweis auf die DPDK-Paketpuffer
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\item Wenn Ringpuffer keine Pakete enthält, stelle Netzwerkgeräte in Warteschlange
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\item erfordert Konfiguration von \alert{hugepages}
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\end{itemize}
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\end{columns}
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\note{
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- DPDK durch Treiber direkt mit Port gebunden
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- Um die Bindung eines Geräts an einen Treiber aufzuheben, muss die Busnummer des Geräts in die unbind-Datei geschrieben werden. Um ein Gerät an einen anderen Treiber zu binden, muss die Busnummer in dessen Bind-Datei geschrieben werden.
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- Ports von den Treibern vfio_pci, igb_uio oder uio_pci_generic verwaltet
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- Treiber ermöglichen es, mit Geräten im User-Space zu interagieren
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- Kommunikation über DPDK-Poll-Mode-Treiber (PMD); für alle unterstützten Netzwerkkarten und virtuellen Geräte möglich
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1. Eingehende Pakete gehen in einen Ringpuffer. Die Anwendung prüft diesen Puffer periodisch auf neue Pakete.
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2. Wenn der Puffer neue Paketdeskriptoren enthält, verweist die Anwendung mit Hilfe der Zeiger in den Paketdeskriptoren auf die DPDK-Paketpuffer im speziell zugewiesenen Speicherpool.
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3. Wenn der Ringpuffer keine Pakete enthält, wird die Anwendung die Netzwerkgeräte unter dem DPDK in eine Warteschlange stellen und dann erneut auf den Ring verweisen.
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}
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\end{frame}
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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% SECTION
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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\section{DPDK Aufbau}
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\begin{frame}{DPDK-Core}
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\centering\huge
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\begin{tabular}{|c|}
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\hline
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EAL \\\hline
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MBUF \\\hline
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MEMPOOL \\\hline
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RING \\\hline
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TIMER \\\hline
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\end{tabular}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Environment Abstraction Layer (EAL)}
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\begin{itemize}
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\item Satz von Programmierwerkzeugen
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\item bindet Anwendungen an DPDK
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\item alle Anwendungen müssen Header Dateien der EAL enthalten
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\end{itemize}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Environment Abstraction Layer (EAL)}
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die häufigsten/wichtigsten Header\footnote{\href{http://dpdk.org/doc/guides/prog_guide/env_abstraction_layer.html}{http://dpdk.org/doc/guides/prog\_guide/env\_abstraction\_layer.html}}:
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\begin{description}
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\item[rte\_lcore.h] verwaltet Prozessorkerne und Sockel
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\item[rte\_memory.h] verwaltet Speicher
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\item[rte\_pci.h] Schnittstelle für den Zugriff auf PCI-Adressraum
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\item[rte\_debug.h] Trace- und Debug-Funktionen
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\item[rte\_interrupts.h] verarbeitet Interrupts
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\end{description}
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\end{frame}
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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% SECTION
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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\section{Paketrepräsentation}
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\begin{frame}{Kurz und knapp}
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\begin{itemize}
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\item Nutzung von PMDs (Poll Mode Drivers)\footnote{\href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/poll_mode_drv.html}{http://doc.dpdk.org/guides/prog\_guide/poll\_mode\_drv.html}}
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|
\item Pakete werden in Speicherblöcken untergebracht
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\item diese Blöcke nennt man "Buffer" (konkret: Mbuf)\footnote{\href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/mbuf_lib.html}{http://doc.dpdk.org/guides/prog\_guide/mbuf\_lib.html}}
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\begin{itemize}
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\item nicht zu verwechseln mit Ring Buffer!
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\note{
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* Wie kann man auf Paket vom Code zugreifen --> PMD (ganz grob)
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* Wie wird Paket in Code repräsentiert? --> Buffer, ist ein Speicher
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* Nun Mbuf, Mempool näher erklären
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Mempool}
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/mempool.png}
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\vspace*{\fill}
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\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_pool}{https://en.wikipedia.org/wiki/Memory\_pool}\\
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\href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/mempool_lib.html}{http://doc.dpdk.org/guides/prog\_guide/mempool\_lib.html}
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\note{
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* Bevor: brauchen Speicherplatz
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* Möglichk. Allok.:
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--> dynamisch (new, malloc)
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--> fixed-sized, mempool genannt
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* Memory pool alloc ist besser... (fragmentierung)
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* dazu Mempool Library in dpdk.
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* beinhaltet sog. Mempool allocator, also ein Ding was diese Mempool allokation durchführt
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* Speicher müssen wir selbst holen, mithlife dieser Bibliothek
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* für zB. Mbuf nutzen
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Mempool: Ring}
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\begin{itemize}
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\item Mempool \textbf{nutzt} intern \textbf{rte\_ring} (Queue)
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\begin{itemize}
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\item speichert dort Referenzen auf Speicherbereiche
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Mempool: Local Cache}
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/mempool2.png}
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\note{
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* local cache für jeden CPU-Kern
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* bulk requests
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* weniger locks des hauptrings
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* selbst konfigurieren: THIS INTERNAL CACHE CAN BE ENABLED ... AT CREATION OF POOL
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Mbuf}
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/mbuf1.png}
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\note{
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* Adressraum (Buffer), der Metadaten und Paketdaten selbst enthält.
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* Metadaten und Paketdaten in einem Buffer
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* Für Buffer wird Datenstruktur mbuf verwendet.
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Mbuf: Indirect buffer}
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/mbuf2.png}
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\note{
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* Für goße Pakete kann man mehrere Buffer aneinanderhängen
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|
* normalerweise Buffer: Zwischenspeicher. Trifft hier ja auch zu, weil Pakete kurz gespeichert und dann weitergegeben werden
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Verwalten von Warteschlangen}
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\begin{itemize}
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\item Queue durch Bibliothek \textbf{rte\_ring}\footnote{\href{https://doc.dpdk.org/guides-16.07/prog_guide/ring_lib.html}{https://doc.dpdk.org/guides-16.07/prog\_guide/ring\_lib.html}} implementiert
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|
\item aus FreeBSD Ringpuffer\footnote{\href{https://svnweb.freebsd.org/base/release/8.0.0/sys/sys/buf_ring.h}{https://svnweb.freebsd.org/base/release/8.0.0/sys/sys/buf\_ring.h}} entwickelt
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\item sperrfreier Ringpuffer nach FIFO-Prinzip
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\item Zeiger mit vier Kategorien
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\begin{itemize}
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\item prod\_tail
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\item prod\_head
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\item cons\_tail
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\item cons\_head
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\note{
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- Ringpuffer ist eine Tabelle mit Zeigern für Objekte, die im Speicher abgelegt werden können
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- Prods ist Abkürzung für Producer, cons für Consumer
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- Producer ist Prozess, der zu bestimmten Zeitpunkt Daten in den Puffer schreibt
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- Consumer ist Prozess, der Daten aus dem Puffer entfernt
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- Tail ist der Ort, an dem Schreiben auf den Ringpuffer stattfindet
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- Kopf ist der Ort, von dem der Puffer gelesen wird
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Verwalten von Warteschlangen}
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\begin{columns}[T, onlytextwidth]
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\column{0.5\textwidth}
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|
Vorteile
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\begin{itemize}
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|
\item Daten extrem schnell in Puffer schreiben
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|
\item viel seltener Cache-Misses
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\end{itemize}
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\column{0.5\textwidth}
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|
Nachteil
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\begin{itemize}
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|
\item feste unveränderliche Größe
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|
\item höherer Speicherverbrauch
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\end{itemize}
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\end{columns}
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\note{
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Vorteile:
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- viel seltener Cache-Misses, da Zeiger in einer Tabelle gespeichert werden
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|
Nachteile:
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- feste unveränderliche Größe, die nicht im laufenden Betrieb erhöht werden kann
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|
- bei der Arbeit mit der Ringstruktur viel mehr Speicher verbraucht als bei einer verknüpften Warteschlange, da der Puffer immer die maximale Anzahl von Zeigern verwendet
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}
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\end{frame}
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\begin{frame}{Revision: Pakete verarbeiten}
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|
Programmierer sorgt dafür, dass:
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\begin{enumerate}
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|
\item alles richtig \textbf{konfiguriert} ist
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\item \textbf{PMD} die Pakete holt
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\item Speicher vom \textbf{Mempool} geholt wird
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|
\item Mithilfe des Mempool ein \textbf{Mbuf} erzeugt wird
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|
\item in den Pakete reingesteckt werden
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\end{enumerate}
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\vspace{.5cm} Details stehen in der Dokumentation! \\
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Es gibt viele verschiedene Wege, Beispielprogramme geben Orientierung.
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\note{
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* PMD holt Pakete
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* Programmierer:
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* holt Speicher vom Mempool
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* intern stehen Speicheradressen in einem Ring
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|
* erstellt mithilfe dessen einen Mbuf
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* steckt Pakete in Mbuf hinein
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|
* Mit Paketen arbeiten
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}
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\end{frame}
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|
\begin{frame}{Zusammenhang der Komponenten}
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\centering
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\includegraphics[width=.9\textheight]{img/architecture.png}
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||||||
|
\end{frame}
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|
\begin{frame}{Was sind Hugepages?}
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\begin{itemize}
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|
\item Memory management unit (\textbf{MMU}):
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\begin{itemize}
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|
\item Teil der CPU,
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\item realisiert Zuordnung VA \(\mapsto\) PA
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\end{itemize}
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|
\item Translation lookaside buffer (\textbf{TLB}):
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\begin{itemize}
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|
\item Speichert oft genutzte Einträge
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|
\item schneller Zugriff auf Einträge
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|
\item bei vielen Einträgen ineffizient
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\end{itemize}
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||||||
|
\item größere Pages $\rightarrow$ weniger Einträge
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|
\item[\(\rightarrow\)] Inhalt ändert sich weniger oft
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|
\item[\(\Rightarrow\)] Zeiteffizienz erhöht!
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\end{itemize}
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\note{
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|
- Memory management unit (MMU): Teil der CPU, realisiert Zuordnung VA -> PA (Vorstellen als große Tabelle)
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- Translation lookaside buffer (TLB): Speichert oft genutzte Einträge dieser Tabelle (Cache)
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|
- -> an diese Einträge kommt man schneller ran
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|
- wenn viele Einträge benötigt werden, ändert sich Inhalt des TLBs ständig -> ineffizient
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|
- Verringerung der Einträge durch vergrößern der Pages (Pages werden huge) -> Inhalt des TLBs ändert sich nicht mehr so oft
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||||||
|
- Zeiteffizienz erhöht!
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||||||
|
}
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||||||
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\end{frame}
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|
||||||
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
% SECTION
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%----------------------------------------------------------------------------------------
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\section{Empfang und Senden von Paketen}
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\begin{frame}{Vorbereitung}
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\begin{enumerate}
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|
\item runtime enviroment initialisieren
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\item mempool anwenden
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|
\item initialisiere NIC ports um tx/rx-Warteschlangen\footnote{\href{https://doc.dpdk.org/dts/test_plans/dynamic_queue_test_plan.html}{DPDK - Dynamic Queue Test}} zu erhalten und diesen Speicher zuweisen
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||||||
|
\item Definieren von mbuf und Anfordern von Speicher aus dem mempool
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||||||
|
\end{enumerate}
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\note{
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|
- wie zuvor beschrieben
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|
- konfigurieren: CPU Core, Netzwerkgeräte
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|
- falls Netzwerkgerät stoppt, stoppen alle Warteschlangen
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|
}
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||||||
|
\end{frame}
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||||||
|
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||||||
|
\begin{frame}{Empfang Ablauf}
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|
\begin{enumerate}
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||||||
|
\item holt Paket vom NIC-Port zu mbuf
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|
\item analysiere mbuf und hole Paket
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||||||
|
\item Paket in Anwendung verwenden z.B. Inhalt des Paket drucken
|
||||||
|
\end{enumerate}
|
||||||
|
\end{frame}
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin{frame}{Senden Ablauf}
|
||||||
|
\begin{enumerate}
|
||||||
|
\item Paket in mbuf schreiben
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||||||
|
\item bewege mbuf zu tx Warteschlange
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|
\item Paket senden durch dpdk-api
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||||||
|
\end{enumerate}
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||||||
|
\end{frame}
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||||||
|
|
||||||
|
\begin{frame}{die wichtigsten Quellen}
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||||||
|
\begin{itemize}
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||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/linux_gsg/}{DPDK Linux Guide} (Installation, Getting started)
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/}{DPDK Programmer Guide} (für ausführliche Erklärungen)
|
||||||
|
\begin{itemize}
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/ring_lib.html}{Ring Library}
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/mempool_lib.html}{Mempool Library}
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/mbuf_lib.html}{Mbuf Library}
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/guides/prog_guide/poll_mode_drv.html}{Poll Mode Driver Library}
|
||||||
|
\item ...
|
||||||
|
\end{itemize}
|
||||||
|
\item \href{http://doc.dpdk.org/api/}{DPDK API Documentation} (zum Programmieren)
|
||||||
|
\end{itemize}
|
||||||
|
\end{frame}
|
||||||
|
|
||||||
|
%----------------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
% CLOSING/SUPPLEMENTARY SLIDES
|
||||||
|
%----------------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
\begin{frame}[focus]
|
||||||
|
Vielen Dank fürs Zuhören
|
||||||
|
\end{frame}
|
||||||
|
\appendix
|
||||||
|
\begin{frame}{Quellen}
|
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Zeit für eure Fragen
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