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  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,读者如果有兴趣,可以自行学习(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 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:

  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

  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:

  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 ::

  清单 1. 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);

  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:

  清单 2. 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 .。

  清单 3. 退出轮询模式

  void netif_rx_complete(struct net_device *dev);

  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:

  清单 4. 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:

  netif_rx_schedule(dev)

  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_prep(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(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_prep(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_complete(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)

  Newer newer NAPI

  其实之前的 NAPI(New API) 这样的命名已经有点让人忍俊不禁了,可见 Linux 的内核极客们对名字的掌控,比对代码的掌控差太多,于是乎,连续的两次对 NAPI 的重构,被戏称为 Newer newer NAPI 了。

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

  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:

  清单 5. NAPI 结构体

  /*

  * 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-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);

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