网卡优化

大量小包的CPU密集型系统调优案例一则

http://blog.netzhou.net/?p=181

我的blog前面有一篇文章描述了软终端导致单cpu消耗100%，导致机器丢包跟延迟高的问题，文中我只是简单的说明了一下升级内核进行解决的，这个问题我并没有进行一个问题解决的说明，经历了一系列的调整后，单机的并发从单机单网卡承受100M流量到160M流量，到现在的最高的230M流量，在程序没有大规模修改的情况下效果还是十分的明显，这次这篇文章将完整的说一下我的一个解决方法：
先说说我的场景，我目前负责的一个项目，大量的小数据包，长连接，每个数据包都不大，大概10Kbit左右一个包，但是数量十分之大，目前在生产环境中最大的数据包数量高达15W/s的数量，常见的网游系统，小图片cdn系统，这些服务类型都算是这种类型，单网卡流量不大，但是数据包数量极大，我目前调优的结果是
在Xeon E5504， BCM5716的网卡，8G的dell r410的机器，单网卡实现了230MBits大的流量，系统的load为0，8颗cpu每一颗还有10%左右的IDLE，由于我们的系统是数据包的转发，还有一个网卡同期的流量使220M，12.8W的数据包，算上总数，大概可以到450MBits的流量，25.5W的小包，由于人数有限，流量没有跑上去，预计可以跑到480MBits的流量，生产环境的一台机器的数据：
流量及机器的网卡包数量

机器的cpu消耗

首先机器的选型，由于大量小包的cpu密集的系统，当然cpu越性能越高越好咯，但是成本相应的高。对于这种类型的机器，网卡选型也是十分的重要，一定要选择支持msi-x的网卡类型，什么是msi-x大家可以查询google资料去了解一下，目前市面出售的大部分最新的网卡都有这个功能，查看方法lspci -v，看到如下图的内容

再者网卡是否支持多队列，多队列网卡十分的重要，不是多队列的网卡，这篇文章几乎不需要看了，可以直接忽略掉，查看方法cat /proc/interrupts,这个方法并不适用所有的操作系统例如在rhel 5.5的os当中，bcm5716的网卡就看不到，具体我也没有查到怎么查看的方法，麻烦知道的用户告知一声，如果是的话应该可以看到如下图的内容

每一个网卡有8个队列，对于这种大量小包的cpu密集型的系统，多队列的网卡性能至少提供性能50%以上，我们生产环境的有台非多队列的Intel 82574的网卡调优后只能跑到160M左右流量，跟上图明显的一个对比.而同等情况下买一个多队列的网卡明显要便宜很多。
操作系统的选择，目前大部分企业使用的是rhel系列的os，包括标准的rhel跟centos作为一个生产环境的os，目前主力的版本还是rhel 5系列的os，而rhel 5系列的内核版本对于软中断处理并不是很好，调优的结果不是很理想，在rhel 5系列的os上，我们最高流量单网卡也就是160M左右，而且机器的load也很高了，机器已经出现小量的丢包，而且只是使用了4到6个cpu还有几个cpu没有利用上，机器性能没有挖掘完毕，由于我们的机器没有存储的压力，单纯的只是消耗cpu资源，没有io的压力，于是大胆的启用刚出的rhel 6.1的系统，看重这个系统的原因是，该os的内核已经加入了google的两个原本在2.6.35当中才启用的2个补丁——RPS/RFS，RPS主要是把软中断的负载均衡到各个cpu，由于RPS只是单纯把数据包均衡到不同的cpu，这个时候如果应用程序所在的cpu和软中断处理的cpu不是同一个，此时对于cpu cache的影响会很大，那么RFS确保应用程序处理的cpu跟软中断处理的cpu是同一个，这样就充分利用cpu的cache，默认情况下，这个功能并没有开启，需要手动开启开启方法，开启的前提是多队列网卡才有效果。
echo ff > /sys/class/net//queues/rx-/rps_cpus
echo 4096 > /sys/class/net//queues/rx-/rps_flow_cnt
echo 30976 > /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries
对于2个物理cpu,8核的机器为ff，具体计算方法是第一颗cpu是00000001，第二个cpu是00000010，第3个cpu是00000100，依次类推，由于是所有的cpu都负担，所以所有的cpu数值相加，得到的数值为11111111，十六进制就刚好是ff。而对于/proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries的数值是根据你的网卡多少个通道，计算得出的数据，例如你是8通道的网卡，那么1个网卡，每个通道设置4096的数值，8*4096就是/proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries的数值，对于内存大的机器可以适当调大rps_flow_cnt，这个时候基本可以把软中断均衡到各个cpu上了，而对于cpu的使用，还有其它的例如use，sys等，这个不均衡的话，cpu还是会浪费掉，同时对我们的程序针对多cpu进行小部分的开发跟重新编译，本身我们程序就是多进程的一个模型，我们采用nginx的进程管理模型，一个master管理work进程，master分配每一个连接给work进程，由work进程处理用户的请求，这样每一个进程都能均衡负担几乎相同的处理请求，同时在6.1的系统中gcc新增一个openmp的指令，这个指令作用针对多核，增加程序的并行计算的功能，不需要大规模的更改代码就能实现多核的并行性计算，具体使用使用方法请见如下url

http://zh.wikipedia.org/zh/OpenMP

针对上面的处理，基本上可以实现cpu按理说可以实现完全的均衡了，但是当我们在实际的使用过程中发现还是cpu还不是100%的均衡，存在1到2个cpu消耗量还是比其它的要大20%左右，导致在高峰期有1到2个cpu的idle使用完毕，导致用户使用存在卡的情况，这个时候，需要手动调节一下cpu的使用情况，在这操作之前先了解几个名词以及其作用
一个是IO-APIC(输入输出装置的高级可编程中断控制器)
为了充分挖掘 SMP 体系结构的并行性，能够把中断传递给系统中的每个CPU至关重要，基于此理由，Intel 引入了一种名为 I/O-APIC的东西。该组件包含两大组成部分：一是“本地 APIC”，主要负责传递中断信号到指定的处理器；举例来说，一台具有三个处理器的机器，则它必须相对的要有三个本地 APIC。另外一个重要的部分是 I/O APIC，主要是收集来自 I/O 装置的 Interrupt 信号且在当那些装置需要中断时发送信号到本地 APIC。这样就能充分利用多cpu的并行性。如果用户对于IO-APIC更感兴趣，请见如下url的中的pdf的说明

http://wenku.baidu.com/view/ccdc114e2e3f5727a5e962e9.html

另外一个就是irqbalance
irqbalance 用于优化中断分配,它会自动收集系统数据以分析使用模式,并依据系统负载状况将工作状态置于 Performance mode 或 Power-save mode.处于 Performance mode时irqbalance 会将中断尽可能均匀地分发给各个CPU以充分利用 CPU 多核,提升性能.处于 Power-save mode时,irqbalance 会将中断集中分配给第一个 CPU,以保证其它空闲 CPU 的睡眠时间,降低能耗
通过这我们就发现我们是一个非常繁重的系统，并没有节能的需求，而是需要充分利用各个cpu的性能，而事实上在一个大量小包的系统上，irqbalance优化几乎没有效果，而且还使得cpu消耗不均衡，导致机器性能得不到充分的利用，这个时候需要把它给结束掉
/etc/init.d/irqbalance stop
同时，手动绑定软中断到指定的cpu，对于一个8个队列的网卡，8核的机器，可以指定一个cpu处理一个网卡队列的中断请求，并根据cpu的消耗情况，手动调整单个网卡的队列到资源消耗低的cpu上，实现手动均衡，具体操作方法，执行如下命令
cat /proc/interrupts

计算cpu的方法第一颗为00000001换算成16进制为1，第2颗cpu为00000010换算成16进制为2，依次类推得出，第8颗cpu为80，这样就可以做如下的绑定了
echo 0001 > /proc/irq//smp_affinity
这样就可以绑定中断到指定的cpu了，这个时候有可能会问，我的机器是一个2通道的网卡，这个时候如果一个通道一个cpu绑定，这个时候就浪费了6颗cpu了，还是达不到完全均衡负载，为什么不能像前面rps那样，
echo ff > /proc/irq//smp_affinity
设置一个ff达到所有的cpu一起均衡呢，这个因为io-apic工作的2个模式logical/low priority跟fixed/physical模式，这两个模式的区别在于，前面一个模式能够把网卡中断传递给多核cpu进行处理，后一种模式对应一个网卡队列的中断只能传递给单cpu进行处理，而linux是fixed/physical工作模式，如果你设置上面那个选项，只能第一个cpu进行软中断的处理，又回到未优化前了。那么为什么不开启logical/low priority呢，当一个tcp连接发起，当数据包到底网卡，网卡触发中断，中断请求到其中一个cpu，而logical/lowpriority并不能保证后续的数据包跟前面的包处于同一个cpu，这样后面的数据包发过来，又可能处于另外一个cpu，这个时候同一个socket都得检查自己的cpu的cache，这样就有可能部分cpu取不到数据，因为本身它的cache并没用数据，这个时候就多了多次的cpu的查找，不能充分利用cpu的效率。对于部分机器来说并不能开启logical/low priority模式，一种可能是cpu过多，另外一种是bios不支持。因此对于那种单队列网卡并不能充分发挥cpu的性能。
经过上述的调整基本可以达到几乎完全均衡的效果，每个cpu都能发挥他的效果。也几乎可以到达我调优的效果
对于一个完整的系统来说，不仅有数据包发送的需求还有数据接收的请求，而rps/rfs主要解决数据接收的一个中断均衡的问题，rps/rfs的作者提交了一个xps（Transmit Packet Steering）， 这个patch主要是针对多队列的网卡发送时的优化，当发送一个数据包的时候，它会根据cpu来选择对应的队列，目前这个patch已经添加在2.6.38内核版本当中，我们已经在生产环境中，部分机器上已经使用上了，据作者的benchmark，能够提高20%的性能，具体使用方法
echo ff > /sys/class/net//queues/tx-/xps_cpus
由于还是新上的系统，还没敢大规模放用户进来，还在测试系统的稳定性，不知道上限具体能到多少，从当前生产环境跑的流量来看，比同等其它的机器，cpu消耗情况，确实要减少一些，流量没有跑上来，效果不是特别的明显，还有待继续测试，得出一个具体的结果。
另外对于intel的网卡的用户，intel有个叫ioat的功能，关于ioat功能大家可以网上查查资料.
而对于centos的用户来说，目前还只是出了6.0的版本，并没有上述功能，要大规模的推广，建议大家编译2.6.38的内核版本，因为2.6.38的版本已经包含了上述几个补丁。编译内核生成内核的rpm包，能快速的在同一批机器上快速部署上去。
以上就是我的对cpu密集型系统的一个优化过程，欢迎大家来讨论。

多队列网卡简介

http://blog.csdn.net/turkeyzhou/article/details/7528182

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。