TCP Segment Offload(TSO)的实现原理浅析

早上太燥热，突然想起三周前有人跟我交流了TSO的问题，我也描述了其原理，这个原理说来也是特别简单，无非就是靠网卡硬件来分段，计算 checksum，从而解放CPU周期。其实只要说一个就够了，既然靠硬件来分段，那么只能由硬件来计算checksum了，因为你根本就不知道硬件的分 段细节，所以你也没法在分段前计算好每一个段的checksum....
       TSO的原理几乎每个人都知道，事实上它是怎么实现的这个问题也不难，难的是细节。在做完了正事之后，我想把这个原理展现出来，当然可能和实际的实现有超级大的出入，不管怎样，它是一个原理框图，仔细观察，应该也能自己实现一个比我这个更好的TSO了。
       这个设计是一个数字逻辑，时序电路的范畴，而这个领域十分地高大上，并不是普通的软件程序员能hold住的，像我这样的半瓶子也一样。所以我依然是按照老 样子，试图直接给出一个结果，而不是要求听书的人事先做一些准备，往往在人们做这些准备工作的时候，就已经厌倦放弃了。
       基础知识不难，就是一些门电路，与门，非门，比较器，译码器，触发器之类的，这些东西随便找一本计算机组成原理，都很齐全。关键是怎么组合它们，这是另一 个领域的编程。此时，我想起了15年前我的高中物理老湿刘丹青在讲电路的时候说过的一句话：让电流流一下。这句话在科班人看来完全不符合电路设计的基本原 则，他们可能更倾向于首先建模，然后分析，然后使用描述语言VHDL写出代码，最后再给出电路，我觉得这适合于设计本身，但是不适合于对一个门外汉讲述其 精彩。对于一个门外汉来讲，他唯一所知道的就是，让电流流一下，然后冲过这个门，冲过那个管，好了，高电平变成低电平了....在我看来，就是这么回事。
       在一张白纸上，画出一堆的门电路，然后随性随意组合它们，慢慢的，我突然发现，这个电路就是TSO的框架了。我记得上周帮人固化了路由转发表，然而那种固 化行为可能会因为成本过高而被pass掉，毕竟如今的软实现已经够用了吧。所以只有核心传输网才需要这种固化的转发表，然而TSO却是服务器领域的首推， 服务器太多了，远比核心转发设备多，它们的CPU需要减负，确实，CPU去计算一些固定模式的东西，有点浪费，它应该花更多的精力去处理一些不可控的东 西。所以TCP分段这种事情自然而然就由网卡代劳了。你，我，他，我们都遇到过TSO，但是我们只会开启，关闭它，如果你想知道它到底是怎么 Offload的，请看下图，让电流流一流：


TCP分段和IP分片的区别很大，这个事你一定要明白。然后才可以看懂上面的图。
       以上的解析只是一个特例，事实上，所有的硬件加速机制无非都是一样的机制。当我在看Intel千兆/万兆网卡的手册时，我想到在芯片的内部，这种电路的元 件几乎是海量的，实现了RSS，硬件hash分类等。这就是我所谓的江河泛滥，沿着沟壑瞬间吞噬大地，我们该如何挖沟填壑，这不是本文的目的，本文只是描 述了这种可能性。这也是这种专用电路和通用CPU之间的本质区别。CPU存在着一个指令集，这意味着它是关注于外部如何调用的，而专用电路的关注点在于内 部的执行逻辑，它几乎不对外提供任何接口，唯一的就是设置几个寄存器的值，比如MTU，数据包长度，数据包头长度等，其它的执行逻辑，外部无权过问。这是 串行编程和并行执行的本质区别。
       对于指令系统，也有一些要说的。在内部控制逻辑上，有一个统一的指令分发系统，实际上就是发射出一系列的0和1的组合，这个组合中的0和1作用于各种门电 路，这些门电路接受了这些不同的输入后，产生不同的输出，然后再作为另外的门电路的输入，造成不同的输出，如此反复...难道事实不是这样子吗？你很难否 则定。
       让电流流一流，如果你觉得比较抽象，那就观察洪水泛滥的过程吧，大河决堤的地点不同，造成的灾难也不同，关键在于决堤处的地势以及其所连接的各种地形，这 一切都是同时发生的，和电流一样，水流在经过一个弯道或者一道拱桥的时候，也会有一些延时和分流，这就可以类比电路中的各种门。
       吃饭了，吃饭了，真烦！