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(qǐng)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(qǐng)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?qǐng)D4.1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。