Linux多队列网卡的硬件的实现详解

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。