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

常見的有Intel的82575、82576，Boardcom的57711等，下面以公司的服務(wù)器使用較多的Intel 82575網(wǎng)卡為例，分析一下多隊(duì)列網(wǎng)卡的硬件的實(shí)現(xiàn)以及l(fā)inux內(nèi)核軟件的支持。

1.多隊(duì)列網(wǎng)卡硬件實(shí)現(xiàn)

圖1.1是Intel 82575硬件邏輯圖，有四個(gè)硬件隊(duì)列。當(dāng)收到報(bào)文時(shí)，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(duì)列。同時(shí)觸發(fā)與該隊(duì)列綁定的中斷。

圖1.1 82575硬件邏輯圖

2. 2.6.21以前網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

kernel從2.6.21之前不支持多隊(duì)列特性，一個(gè)網(wǎng)卡只能申請一個(gè)中斷號(hào)，因此同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)核在處理網(wǎng)卡收到的包。如圖2.1，協(xié)議棧通過NAPI輪詢收取各個(gè)硬件queue中的報(bào)文到圖2.2的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過QDisc隊(duì)列將報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)卡。

圖2.1 2.6.21之前內(nèi)核協(xié)議棧

圖2.2 2.6.21之前net_device

3. 2.6.21后網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

2.6.21開始支持多隊(duì)列特性，當(dāng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載時(shí)，通過獲取的網(wǎng)卡型號(hào)，得到網(wǎng)卡的硬件queue的數(shù)量，并結(jié)合CPU核的數(shù)量，最終通過Sum=Min（網(wǎng)卡queue，CPU core）得出所要激活的網(wǎng)卡queue數(shù)量（Sum），并申請Sum個(gè)中斷號(hào)，分配給激活的各個(gè)queue。

如圖3.1，當(dāng)某個(gè)queue收到報(bào)文時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的中斷，收到中斷的核，將該任務(wù)加入到協(xié)議棧負(fù)責(zé)收包的該核的NET_RX_SOFTIRQ隊(duì)列中（NET_RX_SOFTIRQ在每個(gè)核上都有一個(gè)實(shí)例），在NET_RX_SOFTIRQ中，調(diào)用NAPI的收包接口，將報(bào)文收到CPU中如圖3.2的有多個(gè)netdev_queue的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

這樣，CPU的各個(gè)核可以并發(fā)的收包，就不會(huì)應(yīng)為一個(gè)核不能滿足需求，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)IO性能下降。

圖3.1 2.6.21之后內(nèi)核協(xié)議棧

圖3.2 2.6.21之后net_device

4.中斷綁定

當(dāng)CPU可以平行收包時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不同的核收取了同一個(gè)queue的報(bào)文，這就會(huì)產(chǎn)生報(bào)文亂序的問題，解決方法是將一個(gè)queue的中斷綁定到唯一的一個(gè)核上去，從而避免了亂序問題。同時(shí)如果網(wǎng)絡(luò)流量大的時(shí)候，可以將軟中斷均勻的分散到各個(gè)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(duì)列網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的不是太好，在初始化后會(huì)出現(xiàn)圖4.1中同一個(gè)隊(duì)列的tx、rx中斷綁定到不同核上的問題，這樣數(shù)據(jù)在core0與core1之間流動(dòng)，導(dǎo)致核間數(shù)據(jù)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(tǒng)的負(fù)責(zé)人David Miller提供了一個(gè)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(hào)53對(duì)應(yīng)的smp_affinity中。由于eth-rx-0與eth-tx-0的VEC相同，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)queue的tx與rx中斷綁定到一個(gè)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。

6.多隊(duì)列網(wǎng)卡識(shí)別

#lspci -vvv

Ethernet controller的條目內(nèi)容，如果有MSI-X && Enable+ && TabSize > 1，則該網(wǎng)卡是多隊(duì)列網(wǎng)卡，如圖4.4所示。

圖4.4 lspci內(nèi)容

Message Signaled Interrupts(MSI)是PCI規(guī)范的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，可以突破CPU 256條interrupt的限制，使每個(gè)設(shè)備具有多個(gè)中斷線變成可能，多隊(duì)列網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)給每個(gè)queue申請了MSI。MSI-X是MSI數(shù)組，Enable+指使能，TabSize是數(shù)組大小。

# setting up irq affinity according to /proc/interrupts

# 2008-11-25 Robert Olsson

# 2009-02-19 updated by Jesse Brandeburg

#

# > Dave Miller:

# (To get consistent naming in /proc/interrups)

# I would suggest that people use something like:

# char buf[IFNAMSIZ+6];

#

# sprintf(buf, "%s-%s-%d",

#         netdev->name,

#  (RX_INTERRUPT ? "rx" : "tx"),

#  queue->index);

#

#  Assuming a device with two RX and TX queues.

#  This script will assign: 

#

# eth0-rx-0  CPU0

# eth0-rx-1  CPU1

# eth0-tx-0  CPU0

# eth0-tx-1  CPU1

#

set_affinity()

{

    MASK=$((1<<$VEC))

    printf "%s mask=%X for /proc/irq/%d/smp_affinity\n" $DEV $MASK $IRQ

    printf "%X" $MASK > /proc/irq/$IRQ/smp_affinity

    #echo $DEV mask=$MASK for /proc/irq/$IRQ/smp_affinity

    #echo $MASK > /proc/irq/$IRQ/smp_affinity

}

if [ "$1" = "" ] ; then

 echo "Description:"

 echo "    This script attempts to bind each queue of a multi-queue NIC"

 echo "    to the same numbered core, ie tx0|rx0 --> cpu0, tx1|rx1 --> cpu1"

 echo "usage:"

 echo "    $0 eth0 [eth1 eth2 eth3]"

fi

# check for irqbalance running

IRQBALANCE_ON=`ps ax | grep -v grep | grep -q irqbalance; echo $?`

if [ "$IRQBALANCE_ON" == "0" ] ; then

 echo " WARNING: irqbalance is running and will"

 echo "          likely override this script's affinitization."

 echo "          Please stop the irqbalance service and/or execute"

 echo "          'killall irqbalance'"

fi

#

# Set up the desired devices.

#

for DEV in $*

do

  for DIR in rx tx TxRx

  do

     MAX=`grep $DEV-$DIR /proc/interrupts | wc -l`

     if [ "$MAX" == "0" ] ; then

       MAX=`egrep -i "$DEV:.*$DIR" /proc/interrupts | wc -l`

     fi

     if [ "$MAX" == "0" ] ; then

       echo no $DIR vectors found on $DEV

       continue

       #exit 1

     fi

     for VEC in `seq 0 1 $MAX`

     do

        IRQ=`cat /proc/interrupts | grep -i $DEV-$DIR-$VEC"$"  | cut  -d:  -f1 | sed "s/ //g"`

        if [ -n  "$IRQ" ]; then

          set_affinity

        else

           IRQ=`cat /proc/interrupts | egrep -i $DEV:v$VEC-$DIR"$"  | cut  -d:  -f1 | sed "s/ //g"`

           if [ -n  "$IRQ" ]; then

             set_affinity

           fi

        fi

     done

  done

done

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