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摘自:http://simohayha.iteye.com/blog/720850
Receive packet steering简称rps,是google贡献给linux kernel的一个patch,主要的功能是解决多核情况下,网络协议栈的软中断的负载均衡。这里的负载均衡也就是指能够将软中断均衡的放在不同的cpu核心上运行。
简介在这里:
http://lwn.net/Articles/362339/
linux现在网卡的驱动支持两种模式,一种是NAPI,一种是非NAPI模式,这两种模式的区别,我前面的blog都有介绍,这里就再次简要的介绍下。
在NAPI中,中断收到数据包后调用__napi_schedule调度软中断,然后软中断处理函数中会调用注册的poll回掉函数中调用netif_receive_skb将数据包发送到3层,没有进行任何的软中断负载均衡。
在非NAPI中,中断收到数据包后调用netif_rx,这个函数会将数据包保存到input_pkt_queue,然后调度软中断,这里为了兼容NAPI的驱动,他的poll方法默认是process_backlog,最终这个函数会从input_pkt_queue中取得数据包然后发送到3层。
通过比较我们可以看到,不管是NAPI还是非NAPI的话都无法做到软中断的负载均衡,因为软中断此时都是运行在在硬件中断相应的cpu上。也就是说如果始终是cpu0相应网卡的硬件中断,那么始终都是cpu0在处理软中断,而此时cpu1就被浪费了,因为无法并行的执行多个软中断。
google的这个patch的基本原理是这样的,根据数据包的源地址,目的地址以及目的和源端口(这里它是将两个端口组合成一个4字节的无符数进行计算的,后面会看到)计算出一个hash值,然后根据这个hash值来选择软中断运行的cpu,从上层来看,也就是说将每个连接和cpu绑定,并通过这个hash值,来均衡软中断在多个cpu上。
这个介绍比较简单,我们来看代码是如何实现的。
它这里主要是hook了两个内核的函数,一个是netif_rx主要是针对非NAPI的驱动,一个是netif_receive_skb这个主要是针对NAPI的驱动,这两个函数我前面blog都有介绍过,想了解可以看我前面的blog,现在这里我只介绍打过patch的实现。
在看netif_rx和netif_receive_skb之前,我们先来看这个patch中两个重要的函数get_rps_cpu和enqueue_to_backlog,我们一个个看。
先来看相关的两个数据结构,首先是netdev_rx_queue,它表示对应的接收队列,因为有的网卡可能硬件上就支持多队列的模式,此时对应就会有多个rx队列,这个结构是挂载在net_device中的,也就是每个网络设备最终都会有一个或者多个rx队列。这个结构在sys文件系统中的表示类似这样的/sys/class/net/<device>/queues/rx-<n> 几个队列就是rx-n.
- struct netdev_rx_queue {
-
- struct rps_map *rps_map;
-
- struct kobject kobj;
-
- struct netdev_rx_queue *first;
-
- atomic_t count;
- } ____cacheline_aligned_in_smp;
然后就是rps_map,其实这个也就是保存了能够执行数据包的cpu。 - struct rps_map {
-
- unsigned int len;
-
- struct rcu_head rcu;
-
- u16 cpus[0];
- };
看完上面的结构,我们来看函数的实现。 get_rps_cpu主要是通过传递进来的skb然后来选择这个skb所应该被处理的cpu。它的逻辑很简单,就是通过skb计算hash,然后通过hash从对应的队列的rps_mapping中取得对应的cpu id。 这里有个要注意的就是这个hash值是可以交给硬件网卡去计算的,作者自己说是最好交由硬件去计算这个hash值,因为如果是软件计算的话会导致CPU 缓存不命中,带来一定的性能开销。 还有就是rps_mapping这个值是可以通过sys 文件系统设置的,位置在这里: /sys/class/net/<device>/queues/rx-<n>/rps_cpus 。 - static int get_rps_cpu(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
- {
- struct ipv6hdr *ip6;
- struct iphdr *ip;
- struct netdev_rx_queue *rxqueue;
- struct rps_map *map;
- int cpu = -1;
- u8 ip_proto;
- u32 addr1, addr2, ports, ihl;
-
- rcu_read_lock();
-
- if (skb_rx_queue_recorded(skb)) {
- ..........................................
- rxqueue = dev->_rx + index;
- } else
- rxqueue = dev->_rx;
-
- if (!rxqueue->rps_map)
- goto done;
-
- if (skb->rxhash)
- goto got_hash;
-
- switch (skb->protocol) {
- case __constant_htons(ETH_P_IP):
- if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(*ip)))
- goto done;
-
- ip = (struct iphdr *) skb->data;
- ip_proto = ip->protocol;
-
- addr1 = ip->saddr;
- addr2 = ip->daddr;
-
- ihl = ip->ihl;
- break;
- case __constant_htons(ETH_P_IPV6):
- ..........................................
- break;
- default:
- goto done;
- }
- ports = 0;
- switch (ip_proto) {
- case IPPROTO_TCP:
- case IPPROTO_UDP:
- case IPPROTO_DCCP:
- case IPPROTO_ESP:
- case IPPROTO_AH:
- case IPPROTO_SCTP:
- case IPPROTO_UDPLITE:
- if (pskb_may_pull(skb, (ihl * 4) + 4))
-
- ports = *((u32 *) (skb->data + (ihl * 4)));
- break;
-
- default:
- break;
- }
-
- skb->rxhash = jhash_3words(addr1, addr2, ports, hashrnd);
- if (!skb->rxhash)
- skb->rxhash = 1;
-
- got_hash:
-
- map = rcu_dereference(rxqueue->rps_map);
- if (map) {
-
- u16 tcpu = map->cpus[((u64) skb->rxhash * map->len) >> 32];
-
- if (cpu_online(tcpu)) {
- cpu = tcpu;
- goto done;
- }
- }
-
- done:
- rcu_read_unlock();
-
- return cpu;
- }
然后是enqueue_to_backlog这个方法,首先我们知道在每个cpu都有一个softnet结构,而他有一个input_pkt_queue的队列,以前这个主要是用于非NAPi的驱动的,而这个patch则将这个队列也用与NAPI的处理中了。也就是每个cpu现在都会有一个input_pkt_queue队列,用于保存需要处理的数据包队列。这个队列作用现在是,如果发现不属于当前cpu处理的数据包,则我们可以直接将数据包挂载到他所属的cpu的input_pkt_queue中。 enqueue_to_backlog接受一个skb和cpu为参数,通过cpu来判断skb如何处理。要么加入所属的input_pkt_queue中,要么schecule 软中断。 还有个要注意就是我们知道NAPI为了兼容非NAPI模式,有个backlog的napi_struct结构,也就是非NAPI驱动会schedule backlog这个napi结构,而在enqueue_to_backlog中则是利用了这个结构,也就是它会schedule backlog,因为它会将数据放到input_pkt_queue中,而backlog的pool方法process_backlog就是从input_pkt_queue中取得数据然后交给上层处理。 这里还有一个会用到结构就是 rps_remote_softirq_cpus,它主要是保存了当前cpu上需要去另外的cpu schedule 软中断的cpu 掩码。因为我们可能将要处理的数据包放到了另外的cpu的input queue上,因此我们需要schedule 另外的cpu上的napi(也就是软中断),所以我们需要保存对应的cpu掩码,以便于后面遍历,然后schedule。 而这里为什么mask有两个元素,注释写的很清楚: -
-
-
-
-
-
-
-
-
- struct rps_remote_softirq_cpus {
-
- cpumask_t mask[2];
-
- int select;
- };
- static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu)
- {
- struct softnet_data *queue;
- unsigned long flags;
-
- queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);
-
- local_irq_save(flags);
- __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
-
- spin_lock(&queue->input_pkt_queue.lock);
-
- if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
-
- if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
- enqueue:
-
- __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
- spin_unlock_irqrestore(&queue->input_pkt_queue.lock,
- flags);
- return NET_RX_SUCCESS;
- }
-
-
-
- if (napi_schedule_prep(&queue->backlog)) {
-
- if (cpu != smp_processor_id()) {
-
- struct rps_remote_softirq_cpus *rcpus =
- &__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);
-
- cpu_set(cpu, rcpus->mask[rcpus->select]);
- __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
- } else
-
- __napi_schedule(&queue->backlog);
- }
- goto enqueue;
- }
-
- spin_unlock(&queue->input_pkt_queue.lock);
-
- __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
- local_irq_restore(flags);
-
- kfree_skb(skb);
- return NET_RX_DROP;
- }
这里会有一个小问题,那就是假设此时一个属于cpu0的包进入处理,此时我们运行在cpu1,此时将数据包加入到input队列,然后cpu0上面刚好又来了一个cpu0需要处理的数据包,此时由于qlen不为0则又将数据包加入到input队列中,我们会发现cpu0上的napi没机会进行调度了。 google的patch对这个是这样处理的,在软中断处理函数中当数据包处理完毕,会调用net_rps_action来调度前面保存到其他cpu上的input队列。 下面就是代码片断(net_rx_action) -
- rcpus = &__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);
- select = rcpus->select;
-
- rcpus->select ^= 1;
-
-
- local_irq_enable();
-
- net_rps_action(&rcpus->mask[select]);
然后就是net_rps_action,这个函数很简单,就是遍历所需要处理的cpu,然后调度napi - static void net_rps_action(cpumask_t *mask)
- {
- int cpu;
-
-
-
- for_each_cpu_mask_nr(cpu, *mask) {
- struct softnet_data *queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);
- if (cpu_online(cpu))
-
- __smp_call_function_single(cpu, &queue->csd, 0);
- }
-
- cpus_clear(*mask);
- }
上面我们看到会调用csd方法,而上面的csd回掉就是被初始化为trigger_softirq函数。 - static void trigger_softirq(void *data)
- {
- struct softnet_data *queue = data;
-
- __napi_schedule(&queue->backlog);
- __get_cpu_var(netdev_rx_stat).received_rps++;
- }
上面的函数都分析完毕了,剩下的就很简单了。 首先来看netif_rx如何被修改的,它被修改的很简单,首先是得到当前skb所应该被处理的cpu id,然后再通过比较这个cpu和当前正在处理的cpu id进行比较来做不同的处理。 - int netif_rx(struct sk_buff *skb)
- {
- int cpu;
-
-
- if (netpoll_rx(skb))
- return NET_RX_DROP;
-
- if (!skb->tstamp.tv64)
- net_timestamp(skb);
-
- cpu = get_rps_cpu(skb->dev, skb);
- if (cpu < 0)
- cpu = smp_processor_id();
-
- return enqueue_to_backlog(skb, cpu);
- }
然后是netif_receive_skb,这里patch将内核本身的这个函数改写为__netif_receive_skb。然后当返回值小于0,则说明不需要对队列进行处理,此时直接发送到3层。 - int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
- {
- int cpu;
-
- cpu = get_rps_cpu(skb->dev, skb);
-
- if (cpu < 0)
- return __netif_receive_skb(skb);
- else
- return enqueue_to_backlog(skb, cpu);
- }
最后来总结一下,可以看到input_pkt_queue是一个FIFO的队列,而且如果当qlen有值的时候,也就是在另外的cpu有数据包放到input_pkt_queue中,则当前cpu不会调度napi,而是将数据包放到input_pkt_queue中,然后等待trigger_softirq来调度napi。 因此这个patch完美的解决了软中断在多核下的均衡问题,并且没有由于是同一个连接会map到相同的cpu,并且input_pkt_queue的使用,因此乱序的问题也不会出现。 转载地址:http://jhobi.baihongyu.com/