Linux多队列网卡的硬件的实现详解

多队列网卡是一种技术，最初是用来解决网络IO QoS （quality of service）问题的，后来随着网络IO的带宽的不断提升，单核CPU不能完全处满足网卡的需求，通过多队列网卡驱动的支持，将各个队列通过中断绑定到不同的核上，以满足网卡的需求。

常见的有Intel的82575、82576，Boardcom的57711等，下面以公司的服务器使用较多的Intel 82575网卡为例，分析一下多队列网卡的硬件的实现以及linux内核软件的支持。

1.多队列网卡硬件实现

图1.1是Intel 82575硬件逻辑图，有四个硬件队列。当收到报文时，通过hash包头的SIP、Sport、DIP、Dport四元组，将一条流总是收到相同的队列。同时触发与该队列绑定的中断。

图1.1 82575硬件逻辑图

2. 2.6.21以前网卡驱动实现

kernel从2.6.21之前不支持多队列特性，一个网卡只能申请一个中断号，因此同一个时刻只有一个核在处理网卡收到的包。如图2.1，协议栈通过NAPI轮询收取各个硬件queue中的报文到图2.2的net_device数据结构中，通过QDisc队列将报文发送到网卡。

图2.1 2.6.21之前内核协议栈

图2.2 2.6.21之前net_device

3. 2.6.21后网卡驱动实现

2.6.21开始支持多队列特性，当网卡驱动加载时，通过获取的网卡型号，得到网卡的硬件queue的数量，并结合CPU核的数量，最终通过Sum=Min（网卡queue，CPU core）得出所要激活的网卡queue数量（Sum），并申请Sum个中断号，分配给激活的各个queue。

如图3.1，当某个queue收到报文时，触发相应的中断，收到中断的核，将该任务加入到协议栈负责收包的该核的NET_RX_SOFTIRQ队列中（NET_RX_SOFTIRQ在每个核上都有一个实例），在NET_RX_SOFTIRQ中，调用NAPI的收包接口，将报文收到CPU中如图3.2的有多个netdev_queue的net_device数据结构中。

这样，CPU的各个核可以并发的收包，就不会应为一个核不能满足需求，导致网络IO性能下降。

图3.1 2.6.21之后内核协议栈

图3.2 2.6.21之后net_device

4.中断绑定

当CPU可以平行收包时，就会出现不同的核收取了同一个queue的报文，这就会产生报文乱序的问题，解决方法是将一个queue的中断绑定到唯一的一个核上去，从而避免了乱序问题。同时如果网络流量大的时候，可以将软中断均匀的分散到各个核上，避免CPU成为瓶颈。

图4.1 /proc/interrupts

5.中断亲合纠正

一些多队列网卡驱动实现的不是太好，在初始化后会出现图4.1中同一个队列的tx、rx中断绑定到不同核上的问题，这样数据在core0与core1之间流动，导致核间数据交互加大，cache命中率降低，降低了效率。

图5.1 不合理中断绑定

linux network子系统的负责人David Miller提供了一个脚本，首先检索/proc/interrupts文件中的信息，按照图4.1中eth0-rx-0（$VEC）中的VEC得出中断MASK，并将MASK

写入中断号53对应的smp_affinity中。由于eth-rx-0与eth-tx-0的VEC相同，实现同一个queue的tx与rx中断绑定到一个核上，如图4.3所示。

                                                                                     

图4.2 set_irq_affinity

图4.3 合理的中断绑定

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

 

6.多队列网卡识别

#lspci -vvv

Ethernet controller的条目内容，如果有MSI-X && Enable+ && TabSize > 1，则该网卡是多队列网卡，如图4.4所示。

图4.4 lspci内容

Message Signaled Interrupts(MSI)是PCI规范的一个实现，可以突破CPU 256条interrupt的限制，使每个设备具有多个中断线变成可能，多队列网卡驱动给每个queue申请了MSI。MSI-X是MSI数组，Enable+指使能，TabSize是数组大小。

# 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