多隊列網(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，通過多隊列網(wǎng)卡驅(qū)動的支持，將各個隊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.多隊列網(wǎng)卡硬件實(shí)現(xiàn)
圖1.1是Intel 82575硬件邏輯圖，有四個硬件隊列。當(dāng)收到報文時，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列。同時觸發(fā)與該隊列綁定的中斷。
圖1.1 82575硬件邏輯圖
2. 2.6.21以前網(wǎng)卡驅(qū)動實(shí)現(xiàn)
kernel從2.6.21之前不支持多隊列特性，一個網(wǎng)卡只能申請一個中斷號，因此同一個時刻只有一個核在處理網(wǎng)卡收到的包。如圖2.1，協(xié)議棧通過NAPI輪詢收取各個硬件queue中的報文到圖2.2的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過QDisc隊列將報文發(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)動實(shí)現(xiàn)
2.6.21開始支持多隊列特性，當(dāng)網(wǎng)卡驅(qū)動加載時，通過獲取的網(wǎng)卡型號，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個中斷號，分配給激活的各個queue。
如圖3.1，當(dāng)某個queue收到報文時，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隊列中(NET_RX_SOFTIRQ在每個核上都有一個實(shí)例)，在NET_RX_SOFTIRQ中，調(diào)用NAPI的收包接口，將報文收到CPU中如圖3.2的有多個netdev_queue的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
這樣，CPU的各個核可以并發(fā)的收包，就不會應(yīng)為一個核不能滿足需求，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，就會出現(xiàn)不同的核收取了同一個queue的報文，這就會產(chǎn)生報文亂序的問題，解決方法是將一個queue的中斷綁定到唯一的一個核上去，從而避免了亂序問題。同時如果網(wǎng)絡(luò)流量大的時候，可以將軟中斷均勻的分散到各個核上，避免CPU成為瓶頸。
圖4.1 /proc/interrupts
5.中斷親合糾正
一些多隊列網(wǎng)卡驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的不是太好，在初始化后會出現(xiàn)圖4.1中同一個隊列的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，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53對應(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queue的tx與rx中斷綁定到一個核上，如圖4.3所示。
圖4.2 set_irq_affinity