Recipe for building a 10Mpps FreeBSD based router

First you need a server, with a minimum of 8 cores and a good NIC.
My setup is this one:

• HP ProLiant DL360p Gen8: 8 cores Intel Xeon E5-2650 @ 2.60GHz
• Quad port 10 Gigabit Chelsio TS540-CR

The first step is to entering the UEFI and disabling Hyper-Threading.

(note to myself: Need to generate benchmark comparing HT impact for a router use)

Once done, you can install a FreeBSD on it… but not a classical 10.2!

Default behavior of FreeBSD multi-queue NIC drivers is to create a number of queue equal to number of core (with a maximum number of 16 for Chelsio).

This mean for a 8 cores server, it will create 8 queues:

• Each queue will obtain its own IRQ
• The NIC will load-balance in/out frames between these queues

The NIC load-balance algorithm kepts same flow on the same queue by default: Then you need lot's of differents flow (different src/dst IP addresss or TCP/UDP ports) for a correct distribution among all theses queues: Don't bench your setup with only one FTP flow as example.

And FreeBSD meet a problem here because the number of queue/core didn't scale well after 4 cores:

=> On this 8 cores setup, you need to reduce your NIC queue number to 4 for the best performance.

But recently this problem was resolved by Alexander V. Chernikov (melifaro) on its experimental projects/routing branchs (lot's of cleaning regarding fine locking and testing new ideas):

Well… almost resolved: We see a big improvement and perfect linear scale up to 4 cores but still not linear to 8 cores. 

And surprisingly this non-linear problem isn't related to the improvement in forwarding code, but to the new random entropy harvester brings recently in head that is collecting first 2 bytes of each frame under single mutex.

Disabling INTERRUPT and NET_ETHER entropy sources (by adding harvest_mask="351" in /etc/rc.conf) solve the problem:

=> 9.5Mpps on this setup !

And for non-network people who didn't understand value in "paquet-per-second", here is a different graph regarding impact on forwarding performance with ipfw or pf enabled. With the equivalent IMIX on the right side:

Now how to reach 10Mpps? Just use a little more powerful CPU ;-)

And if you want to test these new performance on your hardware you just need one USB flash disk and installing on it these BSD Router Project (nanobsd) EXPERIMENTAL images used for theses benchs. It's just a dd to the USB flash disk, and more installation instructions are on BSDRP web site.

Serial-PXE-TFTP install of FreeBSD(BSDRP,Xsense,NAS4Free)/OpenBSD/Centos

Objectives

Remote  installation of multiples Operating systems using only:

• FreeBSD server with a PXE and TFTP services
• Serial console: IPMI Serial-over-LAN (sol)

I didn't found an easy way for PXE+TFTP (only!) serial remote installation for NetBSD or DragonFly.
FreeBSD was very complex too (need to recompile bootloader for TFTP and serial usage), but hopefully mfsBSD hides this problem.
OpenBSD and CentOS, by providing ramdisk natively and easy way of configuring their bootloader, were the most admin-friendly.

dnsmasq

This step will install an all-in-once DHCP/TFTP server:
pkg install dnsmasq
Then, create a small configuration file (example with "bce1" as NIC and local subnet in 192.168.1.0/24)
cat > /usr/local/etc/dnsmasq.conf <<EOF
interface=bce1
dhcp-range=192.168.1.80,192.168.1.85
pxe-service=x86PC, "pxelinux", pxelinux
enable-tftp
tftp-root=/tftpboot
EOF

And start it:
sysrc dnsmasq_enable=yes
service dnsmasq start

pxelinux

This step will install pxelinux binaries and configure PXE menu:

mkdir /tftpboot
cd /tftpboot
fetch https://www.kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/syslinux-6.03.zip
unzip -d syslinux syslinux-6.03.zip
cp syslinux/bios/memdisk/memdisk /tftpboot
cp syslinux/bios/core/pxelinux.0 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/elflink/ldlinux/ldlinux.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/menu/menu.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/libutil/libutil.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/modules/pxechn.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/lib/libcom32.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/chain/chain.c32 /tftpboot
cp syslinux/bios/com32/modules/reboot.c32 /tftpboot/
rm syslinux-6.03.zip
rm -rf syslinux
mkdir /tftpboot/pxelinux.cfg
cat > /tftpboot/pxelinux.cfg/default <<EOF
SERIAL 0 115200
CONSOLE 0
UI menu.c32
TIMEOUT 300
MENU TITLE PXE BOOT MENU
LABEL freebsd
 MENU DEFAULT
 MENU LABEL mfsbsd (FreeBSD, pfSense, BSDRP, NAS4Free, etc...)
 KERNEL memdisk
 APPEND initrd=/mfsbsd-10.1-RELEASE-amd64.img harddisk raw
LABEL openbsd
 MENU LABEL OpenBSD
 KERNEL pxechn.c32
 APPEND ::/openbsd/pxeboot
LABEL netbsd
 MENU LABEL NetBSD
 KERNEL pxechn.c32
 APPEND ::/netbsd/pxeboot_ia32_com0.bin
LABEL centos
 MENU LABEL Centos 7
 kernel centos/vmlinuz
 append initrd=centos/initrd.img method=http://mirror.centos.org/centos/7/os/x86_64/ devfs=nomount ip=dhcp console=ttyS0,115200 earlyprint=serial,ttyS0,115200
LABEL local
 MENU LABEL local disk
 KERNEL chain.c32
 APPEND hd0
LABEL reboot
 MENU LABEL reboot
 KERNEL reboot.c32
EOF

FreeBSD

Download mfsBSD image and enable serial port:

fetch -o /tftpboot/mfsbsd-10.1-RELEASE-amd64.img http://mfsbsd.vx.sk/files/images/10/amd64/mfsbsd-10.1-RELEASE-amd64.img
mdconfig -a -t vnode -f mfsbsd-10.1-RELEASE-amd64.img
mount /dev/md0a /mnt/
echo "-S115200 -h" > /mnt/boot.config
umount /mnt
mdconfig -d -u 0

OpenBSD

Download OpenBSD's pxeboot and RamDisk image, then enable serial port:
mkdir /tftpboot/openbsd/
fetch -o /tftpboot/openbsd/pxeboot http://ftp.openbsd.org/pub/OpenBSD/5.7/amd64/pxeboot
fetch -o /tftpboot/openbsd/bsd.rd http://ftp.openbsd.org/pub/OpenBSD/5.7/amd64/bsd.rd
mkdir /tftpboot/etc
cat > /tftpboot/etc/boot.conf <<EOF
stty com0 115200
set tty com0
boot tftp:/openbsd/bsd.rd
EOF

CentOS

Download CentOS kernel and RamDisk:
mkdir /tftpboot/centos
fetch -o /tftpboot/centos/initrd.img ftp://ftp.free.fr/mirrors/ftp.centos.org/7.1.1503/os/x86_64/images/pxeboot/initrd.img
fetch -o /tftpboot/centos/vmlinuz ftp://ftp.free.fr/mirrors/ftp.centos.org/7.1.1503/os/x86_64/images/pxeboot/vmlinuz

Installing BSDRP, pfSense, OPNsense, NAS4Free, or any nanoBSD

From mfsbsd, just dd their serial nanobsd/embedded image to the local hard drive.
For installing FreeBSD: just uses bsdinstall

Debugging PXE/TFTP process

From the server, start a tcpdump accepting only bootps and tftp packets:

tcpdump -ni bce1 -vv port bootps or port tftp

ipfw improvement on FreeBSD -current

Few days ago Alexander V. Chernikov posted on the FreeBSD -net mailing list an "HEADS UP: Merging projects/ipfw to HEAD" with lot's of promises:

• Tables are now identified by names, not numbers. There can be up to 65k tables with up to 63-byte long names.
• Tables are now set-aware (default off), so you can switch/move them atomically with rules.
• More functionality is supported (swap, lock, limits, user-level lookup, batched add/del) by generic table code.
• New table types are added (flow) so you can match multiple packet fields at once.
• Ability to add different type of lookup algorithms for particular table type has been added.
• New table algorithms are added (cidr:hash, iface:array, number:array and flow:hash) to make certain types of lookup more effective.
• Table value are now capable of holding multiple data fields for different tablearg users

I'm not an expert of ipfw(8), but I would check the impact of this improved-ipfw on forwarding performance. By "performance" I mean how this code impact the throughput (in term of packet-per-second) of my FreeBSD firewall (I didn't bench all the parameters requiered by RFC3511).
Once the code was committed as r272840 on -head, I've generated a new nanobsd(8) image on my 10gigabit bench lab… and here are the results:

More than 100K pps of differences! Now I dream of an ipfw_sync equivalent to pf_sync(4).
And here are the ministat output for statistician extremists.
Regarding ipfw in stateless mode:


x 272685.ipfw-stateless
+ 273009.ipfw-stateless
+----------------------------------------------------------------------+
|x      x     x    x                                  + + +      +    +|
|   |______A__M___|                                                    |
|                                                     |___M__A_____|   |
+----------------------------------------------------------------------+
    N           Min           Max        Median           Avg        Stddev
x   5       1585928       1619817       1608891     1604564.2     12728.878
+   5       1683246       1712607       1690405     1695508.6      12250.89
Difference at 95.0% confidence
        90944.4 +/- 18219.1
        5.66786% +/- 1.13546%
        (Student's t, pooled s = 12492.2)

And regarding ipfw in statefull mode:


x 272685.ipfw-statefull
+ 273009.ipfw-statefull
+----------------------------------------------------------------------+
|xx    x   x    x                       ++   +    +                   +|
||_____A______|                                                        |
|                                    |_______M___A____________|        |
+----------------------------------------------------------------------+
    N           Min           Max        Median           Avg        Stddev
x   5       1390415       1433678       1407058     1408663.4     18451.472
+   5       1502719       1589778       1517320     1529871.8     35404.181
Difference at 95.0% confidence
        121208 +/- 41172.4
        8.6045% +/- 2.9228%
        (Student's t, pooled s = 28230.4)

BSD Router Project: Version 1.0 disponible

Cela faisait plusieurs mois qu'il n'y avait pas eu de nouvelle version de ce routeur libre: C'est corrigé depuis cette nuit.
Et comme j'ai passé pas mal de temps à le tester dans tous les sens, je me suis dit que cette version méritait finallement de passer directement en 1.0.
J'ai par contre découvert une grosse limitation concernant la protection des protocoles de routages IPv6 sous FreeBSD (RIPng et OSPFv3): Ces protocoles n'incluent plus leur propre mécanismes de sécurité mais les délèguent à la couche IPSec d'IPv6. Cela veux dire que nous devons passer par setkey(8) pour configurer des SAD/SPD manuels les protégeant.… Or la couche IPSec de FreeBSD ne sait pas gérer les adresses multicast et l'usage du multicast est très courant en IPv6 (RIPng et OSPFv3 l'utilisent). Cette limitation est assez bloquante car elle ne permet pas d'avoir le même niveau de protection des réseaux RIP/OSPF en IPv6 qu'en IPv4 sous FreeBSD.

J'ai aussi amélioré les scripts VirtualBox (PowerShell et Shell) permettant de lancer les labs virtuels facilement pour qu'ils prennent en charge les fonctionnalités de linked-type-clone et Page Fusion: Le gain en ressource pour la machine hôte est impressionnant!
Par exemple sur le lab BGP route reflector/confederation qui nécessite le lancement de 7 routeurs, donc 7 VMs (avec 128Mo de RAM et 256Mo de disque alloué à chacune):

• La fonctionnalité «linked-type-clone» permet de ne consommer que 153Mo d'espace disque pour l'ensemble des VMs: Le template de référence utilise 80Mo et chacun des clones 10Mo.
• La fonctionnalité «Page Fusion», elle, permet de ne consommer que 112Mo de RAM pour l'ensemble des VMs (environ 16Mo par VM).

Pour la suite, va falloir que je travaille un système de centralisation/gestion des configurations et pourquoi pas permettre le pre-provisionning des configurations pour du déploiement grande échelle.

Pourquoi ne jamais utiliser iperf sur FreeBSD

J'ai enfin eu le temps de remonter mon petit lab pour faire quelques tests de performance réseaux avec BSDRP:

• Un PC Engines wrap1e203, qui va me servir de routeur (Geode à 233Mhz)
• Deux clients léger HP Compaq T5000 (Transmeta Crusoe à 800Mhz)
• Un switch gigabit

L'avantage d'utiliser des vieilles machines FastEthernet est qu'elles sont plus faciles à saturer que des nouvelles supportant le gigabit.
Avant de tester les perfs de routage du WRAP, j'ai commencé par noter ma valeur de référence, en mesurant les perfs réseaux maximum des HP Compaq T5000.
Pour cela il existe plusieurs logiciels, le plus connus étant iperf. Mais sur les différentes mailing-list FreeBSD, j'ai souvent lus que iperf «ça pue car codé par des linuxiens et donc incapable d'utiliser le pleins potentiel de FreeBSD».
Dans le doute, j'ai donc aussi utilisé netblast (les sources sont cachées dans /usr/src/tools/tools/netrate/netblast, et il n'est pas installé par défaut).
D'ailleur concernant netblast sur sparc64: Il faut le patcher pour corriger un problème d'alignement.
Bref, lancons nos tests (en UDP et avec les tailles de paquet au max), et voici les résultats:

• iperf: 60Mbit/s
• netblast : 80Mbit/s

Le verdict est sans appel en faveur de netblast!
Et après avoir activé le polling, j'ai pus monter jusqu’à 92Mbit/s: On arrive presque au 100Mbit/s de leur carte réseaux… Pas mal du tout pour ces petites bêtes.

Creating and starting VirtualBox machine with PowerShell

BSD Router Project provided a VBScript for starting MS Windows based virtualbox lab. But because this vbs script works only on XP, I had to found a more powerful solution: Why not discovering PowerShell and using the VirtualBox COM API ?
I didn't found very detailed examples, then here is a PowerShell script that explains how to create, configure and start a VirtualBox Machine.
The goal is:

1. Create a VM (OS type: FreeBSD_64)
2. Configure it (with a serial port that redirect to a pipe)
3. Convert a unzipped BSDRP-full-amd64-vga disk image file to a VDI file, and attach this VDI to the VM
4. Start the VM

And here are the big steps of this script:

1. Initialize the COM API
2. Create the VM
3. Configure the VM (excluding attaching medium to it)
4. Save and register the VM
5. Convert a RAW file to VDI (using VBoxManage.exe) and registering it
6. Lock the VM in write mode for attaching the medium
7. Launch the VM

Now the PowerShell code sample:

Démarrage d'un nouveau projet: BSD Router Project

Un des problèmes majeurs rencontré avec FreeNAS, était le fait que je n'avais aucune expérience professionnelle avec les NAS. Ce qui fait que FreeNAS manque cruellement de fonction pro (snapshot, quotas, etc…).

Par contre, il est un domaine que je maitrise mieux: L'orthographe... heu non je déconne :-) , c'est celui du routage IP.

J'ai donc essayé de convaincre quelques'un de mes collègues (admin réseaux et admin système) pour lancer un nouveau projet: La création d'un NOS (Network Operating System) libre.

On ne va pas ré-inventer la route, et on va se contenter d'utiliser NanoBSD pour avoir notre FreeBSD embedded, auquel on lui ajoutera des démons de routage (Quagga par exemple) et des scripts de configuration qui donneront un aspect CLI JunOS à notre bestiole: Ce sera d'ailleur ensentiellement sur ces scripts shell que sera notre valeure ajoutée.

Le nom de se projet est BSD Router Project (BSDRP), et j'espère avoir assez de temps libre à y consacrer pour pouvoir fournir un premier prototype courant juillet/aout (2009).