网络虚拟化中的 offload 技术：LSO/LRO、GSO/GRO、TSO/UFO、VXLAN

offload

现在，越来越多的网卡设备支持 offload 特性，来提升网络收/发性能。offload 是将本来该操作系统进行的一些数据包处理（如分片、重组等）放到网卡硬件中去做，降低系统 CPU 消耗的同时，提高处理的性能。

包括 LSO/LRO、GSO/GRO、TSO/UFO 等。

LSO/LRO

分别对应到发送和接收两个方向，是 Large Segment Offload 和 Large Receive Offload。

首先来看 LSO。我们知道计算机网络上传输的数据基本单位是离散的网包，既然是网包，就有大小限制，这个限制就是 MTU（Maximum Transmission Unit）的大小，一般是1518字节。比如我们想发送很多数据出去，经过os协议栈的时候，会自动帮你拆分成几个不超过MTU的网包。然而，这个拆分是比较费计算资源的（比如很多时候还要计算分别的checksum），由 CPU 来做的话，往往会造成使用率过高。那可不可以把这些简单重复的操作 offload 到网卡上呢？

于是就有了 LSO，在发送数据超过 MTU 限制的时候（太容易发生了），OS 只需要提交一次传输请求给网卡，网卡会自动的把数据拿过来，然后进行切，并封包发出，发出的网包不超过 MTU 限制。

接下来看 LSO，当网卡收到很多碎片包的时候，LRO 可以辅助自动组合成一段较大的数据，一次性提交给 OS处理。

一般的，LSO 和 LRO 主要面向 TCP 报文。

GSO/GRO

Generic Segmentation Offload 和 Generic Receive Offload，分别比 LSO 和 LRO 更通用，自动检测网卡支持特性，支持分包则直接发给网卡，否则先分包后发给网卡。新的驱动一般用 GSO/GRO。

TSO/UFO

TCP Segmentation Offload 和 UDP fragmentation offload，分别对应 TCP 报文和 UDP 报文。

很典型的，TCP 协议中就考虑了分片存在的情况，往往是切分 TCP 的数据包，叫做 TSO。而一般的情况，则称为 LSO 或者 GSO。

对于其他不支持切片的协议例如 UDP，则只能进行 IP 层上的切片。

检查与开关

可以通过 ethtool -k eth0 命令来查看各个选项的当前状态，注意输出中各种 off-load 选项的状态。

# ethtool -k eth0
Features for eth0:
rx-checksumming: on
tx-checksumming: on
        tx-checksum-ipv4: on
        tx-checksum-ip-generic: off [fixed]
        tx-checksum-ipv6: on
        tx-checksum-fcoe-crc: off [fixed]
        tx-checksum-sctp: off [fixed]
scatter-gather: on
        tx-scatter-gather: on
        tx-scatter-gather-fraglist: off [fixed]
tcp-segmentation-offload: on
        tx-tcp-segmentation: on
        tx-tcp-ecn-segmentation: off [fixed]
        tx-tcp6-segmentation: on
udp-fragmentation-offload: off [fixed]
generic-segmentation-offload: on
generic-receive-offload: on
large-receive-offload: off [fixed]
rx-vlan-offload: on
tx-vlan-offload: on
ntuple-filters: off [fixed]
receive-hashing: on
highdma: on [fixed]
rx-vlan-filter: on [fixed]
vlan-challenged: off [fixed]
tx-lockless: off [fixed]
netns-local: off [fixed]
tx-gso-robust: off [fixed]
tx-fcoe-segmentation: off [fixed]
tx-gre-segmentation: off [fixed]
tx-ipip-segmentation: off [fixed]
tx-sit-segmentation: off [fixed]
tx-udp_tnl-segmentation: off [fixed]
tx-mpls-segmentation: off [fixed]
fcoe-mtu: off [fixed]
tx-nocache-copy: on
loopback: off [fixed]
rx-fcs: off [fixed]
rx-all: off
tx-vlan-stag-hw-insert: off [fixed]
rx-vlan-stag-hw-parse: off [fixed]
rx-vlan-stag-filter: off [fixed]
l2-fwd-offload: off [fixed]

通过 ethtool -K eth0 gso off/on 这样的命令来开关。

VXLAN

VXLAN 现在已经是常见的二层虚拟化实现技术，但是由于它需要对每个数据包都进行封装、解封装等操作，导致基于软件的解决方案效率不高。 现在已经有网卡开始支持对 VXLAN 进行一些辅助操作，包括封装、解封装，以及 checksum 计算等。

网络虚拟化

那么，这些 offload 技术，跟虚拟化有什么联系呢？

在网络虚拟化中，一个最常见的技术就是隧道，这是实现overlay的通用手段。而实现隧道无非就两种思路，一种是把转发信息放到包头上，即封装/解封装（无论VXLAN还是STT都是这个思路）；另外一种是由额外的数据库管理，转发时候进行查询。这两种思路各有利弊，这里不细说，如果我们采用封装/解封装的作法，那么可能原来网包并没有超过MTU限制，加上封装包头就超了，这就需要进行切片了。

所以 VMware 在其旗舰产品 NVP 中强调可以通过 TSO 来提高转发性能。

当然，前提是网卡能够支持，并且在os中配置打开。

此外，多核服务器中的网卡还推荐考虑 RSS（Receive Side Scaling），将网流分配到多个 RSS 队列上，多个队列绑定到不同的核心上，分散负载。