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xps说明

2017年12月22日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3858字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭

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，而这个cpu  map可以通过sysctl来设置：

  1. /sys/class/net/eth<n>/queues/tx-<n>/xps_cpus

复制代码

这里xps_cpus是一个cpu掩码，表示当前队列对应的cpu。

而xps主要就是提高多对列下的数据包发送吞吐量，具体来说就是提高了发送数据的局部性。按照作者的benchmark，能够提高20%.

原理很简单，就是根据当前skb对应的hash值(如果当前socket有hash，那么就使用当前socket的)来散列到xps_cpus这个掩码所设置的cpu上，也就是cpu和队列是一个1对1，或者1对多的关系，这样一个队列只可能对应一个cpu，从而提高了传输结构的局部性。

没有xps之前的做法是这样的，当前的cpu根据一个skb的4元组hash来选择队列发送数据，也就是说cpu和队列是一个多对多的关系，而这样自然就会导致传输结构的cache line bouncing。

这里还有一个引起cache line bouncing的原因，不过这段看不太懂：

Also when sending from one CPU to a queue whose
transmit interrupt is on a CPU in another cache domain cause more
cache line bouncing with transmit completion

接下来来看代码，我这里看得代码是net-next分支，这个分支已经将xps合并进去了。

先来看相关的数据结构,首先是xps_map,这个数据结构保存了对应的cpu掩码对应的发送队列，其中queues队列就保存了发送对列.这里一个xps_map有可能会映射到多个队列。

  1. struct xps_map {
  2. //队列长度
  3.         unsigned int len;
  4.         unsigned int alloc_len;
  5.         struct rcu_head rcu;
  6. //对应的队列序列号数组
  7.         u16 queues[0];
  8. };

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而下面这个结构保存了设备的所有的cpu map，比如一个设备 16个队列，然后这里这个设备的xps_dev_maps就会保存这16个队列的xps map(sysctl中设置的xps_map),而每个就是一个xps_map结构。

  1. struct xps_dev_maps {
  2. //rcu锁
  3.         struct rcu_head rcu;
  4. //所有对列的cpu map数组
  5.         struct xps_map __rcu *cpu_map[0];
  6. };

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然后就是net_device结构增加了一个xps_dev_maps的域来保存这个设备所有的cpu map。

  1. struct net_device {
  2. ................................
  3. #ifdef CONFIG_XPS
  4. //保存当前设备的所有xps map.
  5.         struct xps_dev_maps __rcu *xps_maps;
  6. #endif
  7. ..........................
  8. }

复制代码

我们知道内核发送数据包从ip层到驱动层是通过调用dev_queue_xmit，而在dev_queue_xmit中会调用dev_pick_tx来选择一个队列，这里这个patch就是修改这个函数，我们接下来就来看这个函数。

先来分析下这个函数的主要流程，首先，如果设备只有一个队列，那么就选择这唯一的队列。

  1. if (dev->real_num_tx_queues == 1)
  2.                 queue_index = 0;

复制代码

然后如果设备设置了回调函数ndo_select_queue，则调用ndo_select_queue来选择队列号，这里要注意，当编写驱动时，如果设置了回调函数ndo_select_queue，此时如果需要xps特性，则最好通过get_xps_queue来取得队列号。

  1. else if (ops->ndo_select_queue) {
  2.                 queue_index = ops->ndo_select_queue(dev, skb);
  3.                 queue_index = dev_cap_txqueue(dev, queue_index);
  4. }

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然后进入主要的处理流程，首先从skb从属的sk中取得缓存的队列索引，如果有缓存，则直接返回这个索引，否则开始计算索引，这里就通过调用xps patch最重要的一个函数get_xps_queue来计算queue_index.

  1. static struct netdev_queue *dev_pick_tx(struct net_device *dev,
  2.                                         struct sk_buff *skb)
  3. {
  4. ....................................
  5. else {
  6.                 struct sock *sk = skb->sk;
  7.                 queue_index = sk_tx_queue_get(sk);
  9.                 if (queue_index < 0 || skb->ooo_okay ||
  10.                     queue_index >= dev->real_num_tx_queues) {
  11.                         int old_index = queue_index;
  12. //开始计算队列索引
  13.                         queue_index = get_xps_queue(dev, skb);
  14.                         if (queue_index < 0)
  15. //调用老的计算方法来计算queue index.
  16.                                 queue_index = skb_tx_hash(dev, skb);
  17. ......................................................
  18.                 }
  19.         }
  20. //存储队列索引
  21.         skb_set_queue_mapping(skb, queue_index);
  22. //返回对应的queue
  23.         return netdev_get_tx_queue(dev, queue_index);
  24. }

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接下来我们来看get_xps_queue，这个函数是这个patch的核心，它的流程也很简单，就是通过当前的cpu id获得对应的xps_maps,然后如果当前的cpu和队列是1:1对应则返回对应的队列id，否则计算skb的hash值，根据这个hash来得到在xps_maps 中的queue的位置，从而返回queue id.

  1. static inline int get_xps_queue(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
  2. {
  3. #ifdef CONFIG_XPS
  4.         struct xps_dev_maps *dev_maps;
  5.         struct xps_map *map;
  6.         int queue_index = -1;
  8.         rcu_read_lock();
  9.         dev_maps = rcu_dereference(dev->xps_maps);
  10.         if (dev_maps) {
  11. //根据cpu id得到当前cpu对应的队列集合
  12.                 map = rcu_dereference(
  13.                     dev_maps->cpu_map[raw_smp_processor_id()]);
  14.                 if (map) {
  15. //如果队列集合长度为1，则说明是1:1对应
  16.                         if (map->len == 1)
  17.                                 queue_index = map->queues[0];
  18.                         else {
  19. //否则开始计算hash值，接下来和老的计算hash方法一致。
  20.                                 u32 hash;
  21. //如果sk_hash存在，则取得sk_hash(这个hash，在我们rps和rfs的时候计算过的,也就是四元组的hash值)
  22.                                 if (skb->sk && skb->sk->sk_hash)
  23.                                         hash = skb->sk->sk_hash;
  24.                                 else
  25. //否则开始重新计算
  26.                                         hash = (__force u16) skb->protocol ^
  27.                                             skb->rxhash;
  28.                                 hash = jhash_1word(hash, hashrnd);
  29. //根据hash值来选择对应的队列
  30.                                 queue_index = map->queues[
  31.                                     ((u64)hash * map->len) >> 32];
  32.                         }
  33.                         if (unlikely(queue_index >= dev->real_num_tx_queues))
  34.                                 queue_index = -1;
  35.                 }
  36.         }
  37.         rcu_read_unlock();
  39.         return queue_index;
  40. #else
  41.         return -1;
  42. #endif
  43. }
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