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Linux多队列网卡的硬件的实现详解

作者:佚名 来源:网络整理 更新时间:2017-4-11
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   多队列网卡是一种技术,最初是用来解决网络IO QoS (quality of service)问题的,后来随着网络IO的带宽的不断提升,单核CPU不能完全处满足网卡的需求,通过多队列网卡驱动的支持,将各个队列通过中断绑定到不同的核上,以满足网卡的需求。

  常见的有Intel的82575、82576,Boardcom的57711等,下面以公司的服务器使用较多的Intel 82575网卡为例,分析一下多队列网卡的硬件的实现以及linux内核软件的支持。

  1.多队列网卡硬件实现

  图1.1是Intel 82575硬件逻辑图,有四个硬件队列。当收到报文时,通过hash包头的SIP、Sport、DIP、Dport四元组,将一条流总是收到相同的队列。同时触发与该队列绑定的中断。

Linux多队列网卡的硬件的实现详解 三联

  图1.1 82575硬件逻辑图

  2. 2.6.21以前网卡驱动实现

  kernel从2.6.21之前不支持多队列特性,一个网卡只能申请一个中断号,因此同一个时刻只有一个核在处理网卡收到的包。如图2.1,协议栈通过NAPI轮询收取各个硬件queue中的报文到图2.2的net_device数据结构中,通过QDisc队列将报文发送到网卡。

  图2.1 2.6.21之前内核协议栈

  图2.2 2.6.21之前net_device

  3. 2.6.21后网卡驱动实现

  2.6.21开始支持多队列特性,当网卡驱动加载时,通过获取的网卡型号,得到网卡的硬件queue的数量,并结合CPU核的数量,最终通过Sum=Min(网卡queue,CPU core)得出所要激活的网卡queue数量(Sum),并申请Sum个中断号,分配给激活的各个queue。

  如图3.1,当某个queue收到报文时,触发相应的中断,收到中断的核,将该任务加入到协议栈负责收包的该核的NET_RX_SOFTIRQ队列中(NET_RX_SOFTIRQ在每个核上都有一个实例),在NET_RX_SOFTIRQ中,调用NAPI的收包接口,将报文收到CPU中如图3.2的有多个netdev_queue的net_device数据结构中。

  这样,CPU的各个核可以并发的收包,就不会应为一个核不能满足需求,导致网络IO性能下降。

  图3.1 2.6.21之后内核协议栈

  图3.2 2.6.21之后net_device

  4.中断绑定

  当CPU可以平行收包时,就会出现不同的核收取了同一个queue的报文,这就会产生报文乱序的问题,解决方法是将一个queue的中断绑定到唯一的一个核上去,从而避免了乱序问题。同时如果网络流量大的时候,可以将软中断均匀的分散到各个核上,避免CPU成为瓶颈。

  图4.1 /proc/interrupts

  5.中断亲合纠正

  一些多队列网卡驱动实现的不是太好,在初始化后会出现图4.1中同一个队列的tx、rx中断绑定到不同核上的问题,这样数据在core0与core1之间流动,导致核间数据交互加大,cache命中率降低,降低了效率。

  图5.1 不合理中断绑定

  linux network子系统的负责人David Miller提供了一个脚本,首先检索/proc/interrupts文件中的信息,按照图4.1中eth0-rx-0($VEC)中的VEC得出中断MASK,并将MASK

  写入中断号53对应的smp_affinity中。由于eth-rx-0与eth-tx-0的VEC相同,实现同一个queue的tx与rx中断绑定到一个核上,如图4.3所示。

  图4.2 set_irq_affinity

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