Linux 下网络性能优化方法简析

概述

        对于网络的行为，可以简单划分为 3 条路径：1) 发送路径，2) 转发路径，3) 接收路径，而网络性能的优化则可基于这 3 条路径来考虑。由于数据包的转发一般是具备路由功能的设备所关注，在本文中没有叙述（在 Linux 内核中，分别使用了基于哈希的路由查找和基于动态 Trie 的路由查找算法）。本文集中于发送路径和接收路径上的优化方法分析，其中的 NAPI 本质上是接收路径上的优化，但因为它在 Linux 的内核出现时间较早，而它也是后续出现的各种优化方法的基础，所以将其单独分析。

最为基本的 NAPI

NAPI

        NAPI 的核心在于：在一个繁忙网络，每次有网络数据包到达时，不需要都引发中断，因为高频率的中断可能会影响系统的整体效率，假象一个场景，我们此时使用标准的 100M 网卡，可能实际达到的接收速率为 80MBits/s，而此时数据包平均长度为 1500Bytes，则每秒产生的中断数目为：
                80M bits/s / (8 Bits/Byte
* 1500 Byte) = 6667 个中断 /s
        每秒 6667 个中断，对于系统是个很大的压力，此时其实可以转为使用轮询 (polling) 来处理，而不是中断；但轮询在网络流量较小的时没有效率，因此低流量时，基于中断的方式则比较合适，这就是 NAPI 出现的原因，在低流量时候使用中断接收数据包，而在高流量时候则使用基于轮询的方式接收。
        现在内核中 NIC(Network Interface Card 网卡) 基本上已经全部支持 NAPI 功能，由前面的叙述可知，NAPI 适合处理高速率数据包的处理，而带来的好处则是：
        1. 中断缓和 (Interrupt mitigation)，由上面的例子可以看到，在高流量下，网卡产生的中断可能达到每秒几千次，而如果每次中断都需要系统来处理，是一个很大的压力，而 NAPI 使用轮询时是禁止了网卡的接收中断的，这样会减小系统处理中断的压力；
        2.数据包节流 (Packet throttling)，NAPI 之前的 Linux NIC 驱动总在接收到数据包之后产生一个 IRQ，接着在中断服务例程里将这个 skb 加入本地的 softnet，然后触发本地 NET_RX_SOFTIRQ 软中断后续处理。如果包速过高，因为
IRQ 的优先级高于 SoftIRQ，导致系统的大部分资源都在响应中断，但 softnet 的队列大小有限，接收到的超额数据包也只能丢掉，所以这时这个模型是在用宝贵的系统资源做无用功。而 NAPI 则在这样的情况下，直接把包丢掉，不会继续将需要丢掉的数据包扔给内核去处理，这样，网卡将需要丢掉的数据包尽可能的早丢弃掉，内核将不可见需要丢掉的数据包，这样也减少了内核的压力。 

        对 NAPI 的使用，一般包括以下的几个步骤：

        1. 在中断处理函数中，先禁止接收中断，且告诉网络子系统，将以轮询方式快速收包，其中禁止接收中断完全由硬件功能决定，而告诉内核将以轮询方式处理包则是使用函数 netif_rx_schedule()，也可以使用下面的方式，其中的 netif_rx_schedule_prep 是为了判定现在是否已经进入了轮询模式/* 将网卡预定为轮询模式 */
void netif_rx_schedule(struct net_device *dev);
或者
if (netif_rx_schedule_prep(dev))
__netif_rx_schedule(dev);
        2. 在驱动中创建轮询函数，它的工作是从网卡获取数据包并将其送入到网络子系统，其原型是：

/* NAPI 的轮询方法 */
int (*poll)(struct net_device *dev, int *budget);

        这里的轮询函数用于在将网卡切换为轮询模式之后，用 poll() 方法处理接收队列中的数据包，如队列为空，则重新切换为中断模式。切换回中断模式需要先关闭轮询模式，使用的是函数 netif_rx_complete ()，接着开启网卡接收中断 。

/* 退出轮询模式 */
void netif_rx_complete(struct net_device *dev);

        3. 在驱动中创建轮询函数，需要和实际的网络设备 struct net_device 关联起来，这一般在网卡的初始化时候完成，示例代码如下：

/* 设置网卡支持轮询模式 */
dev->poll = my_poll;
dev->weight = 64;

        里面另外一个字段为权重 (weight)，该值并没有一个非常严格的要求，实际上是个经验数据，一般 10Mb 的网卡，我们设置为 16，而更快的网卡，我们则设置为 64。

NAPI 的一些相关 Interface

下面是 NAPI 功能的一些接口，在前面都基本有涉及，我们简单看看：

/*在网卡的中断处理函数中调用，用于将网卡的接收模式切换为轮询*/
netif_rx_schedule(dev)

/*在网卡是 Up 且运行状态时，将该网卡设置为准备将其加入到轮询列表的状态，可以将该函数看做是 netif_rx_schedule(dev) 的前半部分*/
netif_rx_schedule_prep(dev)

/*将设备加入轮询列表，前提是需要 netif_schedule_prep(dev) 函数已经返回了 1*/
__netif_rx_schedule(dev)

/*与 netif_rx_schedule_prep(dev) 相似，但是没有判断网卡设备是否 Up 及运行，不建议使用*/
__netif_rx_schedule_prep(dev)

/*用于将网卡接口从轮询列表中移除，一般在轮询函数完成之后调用该函数。*/
netif_rx_complete(dev)

/*与 netif_rx_complete(dev) 类似，但是需要确保本地中断被禁止*/
__netif_rx_complete(dev)

Newer newer NAPI

        在最初实现的 NAPI 中，有 2 个字段在结构体 

net_device
中，分别为轮询函数 poll() 和权重 weight，而所谓的 Newer newer NAPI，是在 2.6.24 版内核之后，对原有的 NAPI 实现的几次重构，其核心是将 NAPI 相关功能和 net_device 分离，这样减少了耦合，代码更加的灵活，因为 NAPI 的相关信息已经从特定的网络设备剥离了，不再是以前的一对一的关系了。例如有些网络适配器，可能提供了多个 port，但所有的 port 却是共用同一个接受数据包的中断，这时候，分离的 NAPI 信息只用存一份，同时被所有的 port 来共享，这样，代码框架上更好地适应了真实的硬件能力。Newer
newer NAPI 的中心结构体是

napi_struct:

/*
* Structure for NAPI scheduling similar to tasklet but with weighting
*/
struct napi_struct {
/* The poll_list must only be managed by the entity which
* changes the state of the NAPI_STATE_SCHED bit.  This means
* whoever atomically sets that bit can add this napi_struct
* to the per
c03a
-cpu poll_list, and whoever clears that bit
* can remove from the list right before clearing the bit.
*/
struct list_head 	 poll_list;

unsigned long 		 state;
int 			 weight;
int 			 (*poll)(struct napi_struct *, int);
#ifdef CONFIG_NETPOLL
spinlock_t 		 poll_lock;
int 			 poll_owner;
#endif

unsigned int 		 gro_count;

struct net_device 	 *dev;
struct list_head 	 dev_list;
struct sk_buff 		 *gro_list;
struct sk_buff 		 *skb;
};

        熟悉老的 NAPI 接口实现的话，里面的字段 poll_list、state、weight、poll、dev、没什么好说的，gro_count 和 gro_list 会在后面讲述 GRO 时候会讲述。需要注意的是，与之前的 NAPI 实现的最大的区别是该结构体不再是 net_device 的一部分，事实上，现在希望网卡驱动自己单独分配与管理 napi 实例，通常将其放在了网卡驱动的私有信息，这样最主要的好处在于，如果驱动愿意，可以创建多个
napi_struct，因为现在越来越多的硬件已经开始支持多接收队列 (multiple receive queues)，这样，多个 napi_struct 的实现使得多队列的使用也更加的有效。

        与最初的 NAPI 相比较，轮询函数的注册有些变化，现在使用的新接口是：

void netif_napi_add(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi,
int (*poll)(struct napi_struct *, int), int weight)

        熟悉老的 NAPI 接口的话，这个函数也没什么好说的。

        值得注意的是，前面的轮询 poll() 方法原型也开始需要一些小小的改变：

int (*poll)(struct napi_struct *napi, int budget);

        大部分 NAPI 相关的函数也需要改变之前的原型，下面是打开轮询功能的 API：

void netif_rx_schedule(struct net_device *dev,
struct napi_struct *napi);
/* ...or... */
int netif_rx_schedule_prep(struct net_device *dev,
struct napi_struct *napi);
void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev,
struct napi_struct *napi);

        轮询功能的关闭则需要使用:

void netif_rx_complete(struct net_device *dev,
struct napi_struct *napi);

        因为可能存在多个 napi_struct 的实例，要求每个实例能够独立的使能或者禁止，因此，需要驱动作者保证在网卡接口关闭时，禁止所有的 napi_struct 的实例。

        函数 netif_poll_enable() 和 netif_poll_disable() 不再需要，因为轮询管理不再和 net_device 直接管理，取而代之的是下面的两个函数：

void napi_enable(struct napi *napi);
void napi_disable(struct napi *napi);