Linux中多隊列網卡硬件的示例分析

小編給大家分享一下Linux中多隊列網卡硬件的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

多隊列網卡是一種技術，最初是用來解決網絡IO QoS （quality of service）問題的，后來隨著網絡IO的帶寬的不斷提升，單核CPU不能完全處滿足網卡的需求，通過多隊列網卡驅動的支持，將各個隊列通過中斷綁定到不同的核上，以滿足網卡的需求。

常見的有Intel的82575、82576，Boardcom的57711等，下面以公司的服務器使用較多的Intel 82575網卡為例，分析一下多隊列網卡的硬件的實現以及linux內核軟件的支持。

1.多隊列網卡硬件實現

圖1.1是Intel 82575硬件邏輯圖，有四個硬件隊列。當收到報文時，通過hash包頭的SIP、Sport、DIP、Dport四元組，將一條流總是收到相同的隊列。同時觸發與該隊列綁定的中斷。

圖1.1 82575硬件邏輯圖

2. 2.6.21以前網卡驅動實現

kernel從2.6.21之前不支持多隊列特性，一個網卡只能申請一個中斷號，因此同一個時刻只有一個核在處理網卡收到的包。如圖2.1，協議棧通過NAPI輪詢收取各個硬件queue中的報文到圖2.2的net_device數據結構中，通過QDisc隊列將報文發送到網卡。

圖2.1 2.6.21之前內核協議棧

圖2.2 2.6.21之前net_device

3. 2.6.21后網卡驅動實現

2.6.21開始支持多隊列特性，當網卡驅動加載時，通過獲取的網卡型號，得到網卡的硬件queue的數量，并結合CPU核的數量，最終通過Sum=Min（網卡queue，CPU core）得出所要激活的網卡queue數量（Sum），并申請Sum個中斷號，分配給激活的各個queue。

如圖3.1，當某個queue收到報文時，觸發相應的中斷，收到中斷的核，將該任務加入到協議棧負責收包的該核的NET_RX_SOFTIRQ隊列中（NET_RX_SOFTIRQ在每個核上都有一個實例），在NET_RX_SOFTIRQ中，調用NAPI的收包接口，將報文收到CPU中如圖3.2的有多個netdev_queue的net_device數據結構中。

這樣，CPU的各個核可以并發的收包，就不會應為一個核不能滿足需求，導致網絡IO性能下降。

圖3.1 2.6.21之后內核協議棧

圖3.2 2.6.21之后net_device

4.中斷綁定

當CPU可以平行收包時，就會出現不同的核收取了同一個queue的報文，這就會產生報文亂序的問題，解決方法是將一個queue的中斷綁定到唯一的一個核上去，從而避免了亂序問題。同時如果網絡流量大的時候，可以將軟中斷均勻的分散到各個核上，避免CPU成為瓶頸。

圖4.1 /proc/interrupts

5.中斷親合糾正

一些多隊列網卡驅動實現的不是太好，在初始化后會出現圖4.1中同一個隊列的tx、rx中斷綁定到不同核上的問題，這樣數據在core0與core1之間流動，導致核間數據交互加大，cache命中率降低，降低了效率。

圖5.1 不合理中斷綁定

linux network子系統的負責人David Miller提供了一個腳本，首先檢索/proc/interrupts文件中的信息，按照圖4.1中eth0-rx-0（$VEC）中的VEC得出中斷MASK，并將MASK

寫入中斷號53對應的smp_affinity中。由于eth-rx-0與eth-tx-0的VEC相同，實現同一個queue的tx與rx中斷綁定到一個核上，如圖4.3所示。

圖4.2 set_irq_affinity

圖4.3 合理的中斷綁定

set_irq_affinity腳本位于http://mirror.oa.com/tlinux/tools/set_irq_affinity.sh。

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