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【转载】Linux 下网络性能优化方法简析

作者:互联网

转自https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-network-pt/index.html

 

 

作者:赵 军

概述

对于网络的行为,可以简单划分为 3 条路径:1) 发送路径,2) 转发路径,3) 接收路径,而网络性能的优化则可基于这 3 条路径来考虑。由于数据包的转发一般是具备路由功能的设备所关注,在本文中没有叙述,读者如果有兴趣,可以自行学习(在 Linux 内核中,分别使用了基于哈希的路由查找和基于动态 Trie 的路由查找算法)。本文集中于发送路径和接收路径上的优化方法分析,其中的 NAPI 本质上是接收路径上的优化,但因为它在 Linux 的内核出现时间较早,而它也是后续出现的各种优化方法的基础,所以将其单独分析。

最为基本的 NAPI

NAPI

NAPI 的核心在于:在一个繁忙网络,每次有网络数据包到达时,不需要都引发中断,因为高频率的中断可能会影响系统的整体效率,假象一个场景,我们此时使用标准的 100M 网卡,可能实际达到的接收速率为 80MBits/s,而此时数据包平均长度为 1500Bytes,则每秒产生的中断数目为:

80M bits/s / (8 Bits/Byte * 1500 Byte) = 6667 个中断 /s

每秒 6667 个中断,对于系统是个很大的压力,此时其实可以转为使用轮询 (polling) 来处理,而不是中断;但轮询在网络流量较小的时没有效率,因此低流量时,基于中断的方式则比较合适,这就是 NAPI 出现的原因,在低流量时候使用中断接收数据包,而在高流量时候则使用基于轮询的方式接收。

现在内核中 NIC 基本上已经全部支持 NAPI 功能,由前面的叙述可知,NAPI 适合处理高速率数据包的处理,而带来的好处则是:

对 NAPI 的使用,一般包括以下的几个步骤:

  1. 在中断处理函数中,先禁止接收中断,且告诉网络子系统,将以轮询方式快速收包,其中禁止接收中断完全由硬件功能决定,而告诉内核将以轮询方式处理包则是使用函数 netif_rx_schedule(),也可以使用下面的方式,其中的 netif_rx_schedule_prep 是为了判定现在是否已经进入了轮询模式 ::
    清单 1. 将网卡预定为轮询模式
    1 2 3 4       void netif_rx_schedule(struct net_device *dev); 或者       if (netif_rx_schedule_prep(dev))               __netif_rx_schedule(dev);
  2. 在驱动中创建轮询函数,它的工作是从网卡获取数据包并将其送入到网络子系统,其原型是:
    清单 2. NAPI 的轮询方法
    1 int (*poll)(struct net_device *dev, int *budget);

    这里的轮询函数用于在将网卡切换为轮询模式之后,用 poll() 方法处理接收队列中的数据包,如队列为空,则重新切换为中断模式。切换回中断模式需要先关闭轮询模式,使用的是函数 netif_rx_complete (),接着开启网卡接收中断 .。

    清单 3. 退出轮询模式
    1 void netif_rx_complete(struct net_device *dev);
  3. 在驱动中创建轮询函数,需要和实际的网络设备 struct net_device 关联起来,这一般在网卡的初始化时候完成,示例代码如下:
    清单 4. 设置网卡支持轮询模式
    1 2 dev->poll = my_poll; dev->weight = 64;

    里面另外一个字段为权重 (weight),该值并没有一个非常严格的要求,实际上是个经验数据,一般 10Mb 的网卡,我们设置为 16,而更快的网卡,我们则设置为 64。

NAPI 的一些相关 Interface

下面是 NAPI 功能的一些接口,在前面都基本有涉及,我们简单看看:

netif_rx_schedule(dev)

在网卡的中断处理函数中调用,用于将网卡的接收模式切换为轮询

netif_rx_schedule_prep(dev)

在网卡是 Up 且运行状态时,将该网卡设置为准备将其加入到轮询列表的状态,可以将该函数看做是 netif_rx_schedule(dev) 的前半部分

__netif_rx_schedule(dev)

将设备加入轮询列表,前提是需要 netif_schedule_prep(dev) 函数已经返回了 1

__netif_rx_schedule_prep(dev)

与 netif_rx_schedule_prep(dev) 相似,但是没有判断网卡设备是否 Up 及运行,不建议使用

netif_rx_complete(dev)

用于将网卡接口从轮询列表中移除,一般在轮询函数完成之后调用该函数。

__netif_rx_complete(dev)

Newer newer NAPI

其实之前的 NAPI(New API) 这样的命名已经有点让人忍俊不禁了,可见 Linux 的内核极客们对名字的掌控,比对代码的掌控差太多,于是乎,连续的两次对 NAPI 的重构,被戏称为 Newer newer NAPI 了。

与 netif_rx_complete(dev) 类似,但是需要确保本地中断被禁止

Newer newer NAPI

在最初实现的 NAPI 中,有 2 个字段在结构体 net_device 中,分别为轮询函数 poll() 和权重 weight,而所谓的 Newer newer NAPI,是在 2.6.24 版内核之后,对原有的 NAPI 实现的几次重构,其核心是将 NAPI 相关功能和 net_device 分离,这样减少了耦合,代码更加的灵活,因为 NAPI 的相关信息已经从特定的网络设备剥离了,不再是以前的一对一的关系了。例如有些网络适配器,可能提供了多个 port,但所有的 port 却是共用同一个接受数据包的中断,这时候,分离的 NAPI 信息只用存一份,同时被所有的 port 来共享,这样,代码框架上更好地适应了真实的硬件能力。Newer newer NAPI 的中心结构体是napi_struct:

清单 5. NAPI 结构体
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熟悉老的 NAPI 接口实现的话,里面的字段 poll_list、state、weight、poll、dev、没什么好说的,gro_count 和 gro_list 会在后面讲述 GRO 时候会讲述。需要注意的是,与之前的 NAPI 实现的最大的区别是该结构体不再是 net_device 的一部分,事实上,现在希望网卡驱动自己单独分配与管理 napi 实例,通常将其放在了网卡驱动的私有信息,这样最主要的好处在于,如果驱动愿意,可以创建多个 napi_struct,因为现在越来越多的硬件已经开始支持多接收队列 (multiple receive queues),这样,多个 napi_struct 的实现使得多队列的使用也更加的有效。

与最初的 NAPI 相比较,轮询函数的注册有些变化,现在使用的新接口是:

1 2 void netif_napi_add(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi,            int (*poll)(struct napi_struct *, int), int weight)

熟悉老的 NAPI 接口的话,这个函数也没什么好说的。

值得注意的是,前面的轮询 poll() 方法原型也开始需要一些小小的改变:

1 int (*poll)(struct napi_struct *napi, int budget);

大部分 NAPI 相关的函数也需要改变之前的原型,下面是打开轮询功能的 API:

1 2 3 4 5 6 7 void netif_rx_schedule(struct net_device *dev,                        struct napi_struct *napi); /* ...or... */ int netif_rx_schedule_prep(struct net_device *dev,                struct napi_struct *napi); void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev,                  struct napi_struct *napi);

轮询功能的关闭则需要使用 :

1 2 void netif_rx_complete(struct net_device *dev,            struct napi_struct *napi);

因为可能存在多个 napi_struct 的实例,要求每个实例能够独立的使能或者禁止,因此,需要驱动作者保证在网卡接口关闭时,禁止所有的 napi_struct 的实例。

函数 netif_poll_enable() 和 netif_poll_disable() 不再需要,因为轮询管理不再和 net_device 直接管理,取而代之的是下面的两个函数:

1 2 void napi_enable(struct napi *napi); void napi_disable(struct napi *napi);

发送路径上的优化

TSO (TCP Segmentation Offload)

TSO (TCP Segmentation Offload) 是一种利用网卡分割大数据包,减小 CPU 负荷的一种技术,也被叫做 LSO (Large segment offload) ,如果数据包的类型只能是 TCP,则被称之为 TSO,如果硬件支持 TSO 功能的话,也需要同时支持硬件的 TCP 校验计算和分散 - 聚集 (Scatter Gather) 功能。

可以看到 TSO 的实现,需要一些基本条件,而这些其实是由软件和硬件结合起来完成的,对于硬件,具体说来,硬件能够对大的数据包进行分片,分片之后,还要能够对每个分片附着相关的头部。TSO 的支持主要有需要以下几步:

GSO (Generic Segmentation Offload)

TSO 是使得网络协议栈能够将大块 buffer 推送至网卡,然后网卡执行分片工作,这样减轻了 CPU 的负荷,但 TSO 需要硬件来实现分片功能;而性能上的提高,主要是因为延缓分片而减轻了 CPU 的负载,因此,可以考虑将 TSO 技术一般化,因为其本质实际是延缓分片,这种技术,在 Linux 中被叫做 GSO(Generic Segmentation Offload),它比 TSO 更通用,原因在于它不需要硬件的支持分片就可使用,对于支持 TSO 功能的硬件,则先经过 GSO 功能,然后使用网卡的硬件分片能力执行分片;而对于不支持 TSO 功能的网卡,将分片的执行,放在了将数据推送的网卡的前一刻,也就是在调用驱动的 xmit 函数前。

我们再来看看内核中数据包的分片都有可能在哪些时刻:

  1. 在传输协议中,当构造 skb 用于排队的时候
  2. 在传输协议中,但是使用了 NETIF_F_GSO 功能,当即将传递个网卡驱动的时候
  3. 在驱动程序里,此时驱动支持 TSO 功能 ( 设置了 NETIF_F_TSO 标志 )

对于支持 GSO 的情况,主要使用了情况 2 或者是情况 2.、3,其中情况二是在硬件不支持 TSO 的情况下,而情况 2、3 则是在硬件支持 TSO 的情况下。

代码中是在 dev_hard_start_xmit 函数里调用 dev_gso_segment 执行分片,这样尽量推迟分片的时间以提高性能:

清单 8. GSO 中的分片
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,              struct netdev_queue *txq)  { ……          if (netif_needs_gso(dev, skb)) {              if (unlikely(dev_gso_segment(skb)))                  goto out_kfree_skb;              if (skb->next)                  goto gso;          } else {             ……            }           ……    }

接收路径上的优化

LRO (Large Receive Offload)

Linux 在 2.6.24 中加入了支持 IPv4 TCP 协议的 LRO (Large Receive Offload) ,它通过将多个 TCP 数据聚合在一个 skb 结构,在稍后的某个时刻作为一个大数据包交付给上层的网络协议栈,以减少上层协议栈处理 skb 的开销,提高系统接收 TCP 数据包的能力。
当然,这一切都需要网卡驱动程序支持。理解 LRO 的工作原理,需要理解 sk_buff 结构体对于负载的存储方式,在内核中,sk_buff 可以有三种方式保存真实的负载:

  1. 数据被保存在 skb->data 指向的由 kmalloc 申请的内存缓冲区中,这个数据区通常被称为线性数据区,数据区长度由函数 skb_headlen 给出
  2. 数据被保存在紧随 skb 线性数据区尾部的共享结构体 skb_shared_info 中的成员 frags 所表示的内存页面中,skb_frag_t 的数目由 nr_frags 给出,skb_frags_t 中有数据在内存页面中的偏移量和数据区的大小
  3. 数据被保存于 skb_shared_info 中的成员 frag_list 所表示的 skb 分片队列中

合并了多个 skb 的超级 skb,能够一次性通过网络协议栈,而不是多次,这对 CPU 负荷的减轻是显然的。

LRO 的核心结构体如下:

清单 9. LRO 的核心结构体
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在该结构体中:

dev:指向支持 LRO 功能的网络设备

stats:包含一些统计信息,用于查看 LRO 功能的运行情况

features:控制 LRO 如何将包送给网络协议栈,其中的 LRO_F_NAPI 表明驱动是 NAPI 兼容的,应该使用 netif_receive_skb() 函数,而 LRO_F_EXTRACT_VLAN_ID 表明驱动支持 VLAN

ip_summed:表明是否需要网络协议栈支持 checksum 校验

ip_summed_aggr:表明聚集起来的大数据包是否需要网络协议栈去支持 checksum 校验

max_desc:表明最大数目的 LRO 描述符,注意,每个 LRO 的描述符描述了一路 TCP 流,所以该值表明了做多同时能处理的 TCP 流的数量

max_aggr:是最大数目的包将被聚集成一个超级数据包

lro_arr:是描述符数组,需要驱动自己提供足够的内存或者在内存不足时处理异常

get_skb_header()/get_frag_header():用于快速定位 IP 或者 TCP 的头,一般驱动只提供其中的一个实现

一般在驱动中收包,使用的函数是 netif_rx 或者 netif_receive_skb,但在支持 LRO 的驱动中,需要使用下面的函数,这两个函数将进来的数据包根据 LRO 描述符进行分类,如果可以进行聚集,则聚集为一个超级数据包,否者直接传递给内核,走正常途径。需要 lro_receive_frags 函数的原因是某些驱动直接将数据包放入了内存页,之后去构造 sk_buff,对于这样的驱动,应该使用下面的接口:

清单 10. LRO 收包函数
1 2 3 4 5 6 7 8 void lro_receive_skb(struct net_lro_mgr *lro_mgr,                 struct sk_buff *skb,                 void *priv);   void lro_receive_frags(struct net_lro_mgr *lro_mgr,                   struct skb_frag_struct *frags,               int len, int true_size,               void *priv, __wsum sum);

因为 LRO 需要聚集到 max_aggr 数目的数据包,但有些情况下可能导致延迟比较大,这种情况下,可以在聚集了部分包之后,直接传递给网络协议栈处理,这时可以使用下面的函数,也可以在收到某个特殊的包之后,不经过 LRO,直接传递个网络协议栈:

清单 11. LRO flush 函数
1 2 3 4 5 void lro_flush_all(struct net_lro_mgr *lro_mgr);   void lro_flush_pkt(struct net_lro_mgr *lro_mgr,            struct iphdr *iph,            struct tcphdr *tcph);

GRO (Generic Receive Offload)

前面的 LRO 的核心在于:在接收路径上,将多个数据包聚合成一个大的数据包,然后传递给网络协议栈处理,但 LRO 的实现中存在一些瑕疵:

而解决这些问题的办法就是新提出的 GRO(Generic Receive Offload),首先,GRO 的合并条件更加的严格和灵活,并且在设计时,就考虑支持所有的传输协议,因此,后续的驱动,都应该使用 GRO 的接口,而不是 LRO,内核可能在所有先有驱动迁移到 GRO 接口之后将 LRO 从内核中移除。而 Linux 网络子系统的维护者 David S. Miller 就明确指出,现在的网卡驱动,有 2 个功能需要使用,一是使用 NAPI 接口以使得中断缓和 (interrupt mitigation) ,以及简单的互斥,二是使用 GRO 的 NAPI 接口去传递数据包给网路协议栈。

在 NAPI 实例中,有一个 GRO 的包的列表 gro_list,用堆积收到的包,GRO 层用它来将聚集的包分发到网络协议层,而每个支持 GRO 功能的网络协议层,则需要实现 gro_receive 和 gro_complete 方法。

清单 12. 协议层支持 GRO/GSO 的接口
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 struct packet_type {     __be16              type;   /* This is really htons(ether_type). */     struct net_device   *dev;   /* NULL is wildcarded here          */     int             (*func) (struct sk_buff *,                     struct net_device *,                     struct packet_type *,                     struct net_device *);     struct sk_buff          *(*gso_segment)(struct sk_buff *skb,                         int features);     int             (*gso_send_check)(struct sk_buff *skb);     struct sk_buff          **(*gro_receive)(struct sk_buff **head,                           struct sk_buff *skb);     int             (*gro_complete)(struct sk_buff *skb);     void            *af_packet_priv;     struct list_head    list; };

其中,gro_receive 用于尝试匹配进来的数据包到已经排队的 gro_list 列表,而 IP 和 TCP 的头部则在匹配之后被丢弃;而一旦我们需要向上层协议提交数据包,则调用 gro_complete 方法,将 gro_list 的包合并成一个大包,同时 checksum 也被更新。在实现中,并没要求 GRO 长时间的去实现聚合,而是在每次 NAPI 轮询操作中,强制传递 GRO 包列表跑到上层协议。GRO 和 LRO 的最大区别在于,GRO 保留了每个接收到的数据包的熵信息,这对于像路由器这样的应用至关重要,并且实现了对各种协议的支持。以 IPv4 的 TCP 为例,匹配的条件有:

而很多其它事件将导致 GRO 列表向上层协议传递聚合的数据包,例如 TCP 的 ACK 不匹配或者 TCP 的序列号没有按序等等。

GRO 提供的接口和 LRO 提供的接口非常的类似,但更加的简洁,对于驱动,明确可见的只有 GRO 的收包函数了 , 因为大部分的工作实际是在协议层做掉了:

清单 13. GRO 收包接口
1 2 gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb) gro_result_t napi_gro_frags(struct napi_struct *napi)

小结

从上面的分析,可以看到,Linux 网络性能优化方法,就像一部进化史,但每步的演化,都让解决问题的办法更加的通用,更加的灵活;从 NAPI 到 Newer newer NAPI,从 TSO 到 GSO,从 LRO 到 GRO,都是一个从特例到一个更通用的解决办法的演化,正是这种渐进但连续的演化,让 Linux 保有了如此的活力。

 

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来源: https://www.cnblogs.com/qxxnxxFight/p/11001886.html