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  • 内核协议栈
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    2019-11-14 15:24:09

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    内核协议栈存在的意义

    关于内核协议栈的功能与原理我们在《Linux 内核网络协议栈》一文中已有讨论,这里我们主要思考内核协议栈存在的意义。要回答这个问题,需要从操作系统聊起。

    一个正在运行的程序会做一件非常简单的事情:执行指令。CPU 从内存中获取一条指令,对其进行解码、然后执行它应该做的事情,例如:相加算数、访问内存、检查条件、跳转到函数等等。

    实际上,有一类软件负责让这些程序的运行变得简单,运行程序间共享内存,让程序能够与设备交互,这类软件就是操作系统。现在被我们称之为 “操作系统” 的软件其实最早的称谓是 Supervisor,往后还被叫过一段时间的 Master Control Program

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    linux内核⽹络协议栈越来越多的被关注,因为⽹络流量发⽣的巨⼤的变化,每⼩时的流量相当于过去⼏天的流量。linux内核⽹络协议栈的性能本⾝就不好,⼀些内核协议栈的实现瓶颈被发现,因此即使10GE的⽹卡⼤量投⼊使⽤也没有带来预期的性能提升。

    因此⼀些跳过内核来处理⽹络包的技术⼿段应允⽽⽣,主要⽬的是为了实现低延迟,低消耗,⾼吞吐的⽹络,典型代表是DPDK。 那么DPDK是如何处理报⽂的呢?

    在说明这个问题之前,我们先描述下linux内核的协议栈实现。 Linux内核收包处理流程:

    • 1,当⽹卡收到报⽂后,通过DMA机制将报⽂放到内存
    • 2,⽹卡触发中断通知系统有报⽂到达(⼀个报⽂,⼀个中断),系统分配sk_buff,将报⽂copy到这块sk_buff中,然后交由协议栈处理
    • 3,经过协议栈处理,将报⽂上送⽤户态应⽤程序处理从上⾯的简单描述可以看出,处理越多报⽂就消耗越多资源(中断,内存等)
    •    a.⼀个报⽂⼀个中断,中断将打断CPU并且涉及上下⽂切换,将消耗系统资源
      
    •   b.每个报⽂都要分配sk_buff,申请分配将消耗很多资源,同时linux为了兼容很多协议将sk_buff设计的过于复杂和庞⼤,导致处理变得缓慢。
      
    •   c.其次,当⽤户态程序需要收发包时涉及多次系统调⽤和上下⽂切换,这些切换将消耗⼤量的系统资源。
      

    为了解决a/b问题,Linux在2.6版本开始⽀持NAPI,⼤体原理如下:⽹卡⾸先⼯作在中断模式,⾸包到达后中断处理程序处理报⽂,然后关闭⽹卡中断然后进⼊轮询模式,轮询检查⽹卡收包队列然后收包。其中轮询模式处理函数由⽹卡驱动实现,初始化过程中挂接即可。 DPDK如何解决这些问题

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  • Linux内核协议栈源码分析.pdfLinux2.6 协议栈源代码分析基于Linux 2.6.18 内核源码V0.1luoyu第 i 页Linux2.6 协议栈源代码分析目 录目 录 ii图目录 iv表目录 viii前 言 xiii感 谢 xiv第1章 协议栈概述 11.1 操作系统...

    Linux内核协议栈源码分析.pdf

    Linux2.6 协议栈源代码分析

    基于Linux 2.6.18 内核源码

    V0.1

    luoyu

    第 i 页

    Linux2.6 协议栈源代码分析

    目 录

    目 录 ii

    图目录 iv

    表目录 viii

    前 言 xiii

    感 谢 xiv

    第1章 协议栈概述 1

    1.1 操作系统及网络协议介绍 1

    1.1.1 Linux操作系统架构简介 1

    1.1.2 网络协议发展介绍 2

    1.2 本书的组织和安排 4

    1.2.1 基本的数据结构和计算机术语 5

    1.2.2 图片风格演示 6

    1.2.3 本书的组织 7

    第2章 系统初始化 9

    2.1 系统初始化流程简介 9

    2.2 内核文件解读 13

    2.2.1 ELF文件格式 13

    2.2.2 Link Scripts知识 15

    2.2.3 Linux 内核镜像研究 16

    2.3 中断及任务调度管理 23

    2.3.1 中断及软中断模型 23

    2.3.2 各种语境下的切换 32

    2.3.3 内核下的同步与互斥 33

    2.3.4 各种异步手段 35

    2.4 虚拟文件系统 37

    2.5 网络协议栈各部分初始化 39

    2.5.1 网络基础系统初始化 40

    2.5.2 网络内存管理 40

    2.5.3 网络文件系统初始化 48

    2.5.4 网络协议初始化 50

    2.5.5 初步了解路由系统 58

    2.6 Linux设备管理 58

    2.6.1 底层PCI模块的初始化 60

    2.6.2 网络设备接口初始化例程 63

    第3章 配置系统 73

    第 ii 页

    Linux2.6 协议栈源代码分析

    3.1 配置过程分析 73

    3.1.1 配置是如何下达到内核的? 73

    3.1.2 socket系统调用 74

    3.1.3 ioctl代码的实现 81

    3.1.4 Loopback接口的配置过程 90

    3.1.5 IP别名的实现 92

    3.2 回顾FIB系统初始化 96

    3.3 深入FIB系统 99

    3.4 FIB系统发生了什么样的变化 108

    3.5 直接访问路由表 122

    3.6 接口状态变化的处理过程 124

    第4章 网络层实现的初步研究 127

    4.1 从Ping 开始旅程 127

    4.2 再次相遇Socket系统调用 129

    4.3 IP数据报文格式 129

    4.4 send系统调用 130

    4.5 在路由系统中游历 135

    4.5.1 查找出口 135

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  • 对Linux内核网络的收包和发包完整流程进行梳理

    一、内核网络栈收包流程

    在这里插入图片描述

    序号网络层控制流数据流
    1物理层外部网络→网卡
    2物理层→数据链路层DMA复制数据网卡Frame→Ring Buffer
    3.1硬中断通知CPU
    3.2CPU交给ksoftirq软中断
    4数据链路层软中断处理程序从驱动程序取数据
    5数据链路层→(网络层+传输层)Ring Buffer→sk_buff
    6(网络层+传输层)按照协议栈解析报文→socket缓冲队列
    7应用层内核sk_buff→用户态内存

    二、内核网络栈发包流程

    在这里插入图片描述

    序号网络层控制流数据流
    1应用层用户态内存→内核态内存
    2传输层+网络层协议栈进行封装报文
    3软中断建立DMA映射
    4传输层+网络层→数据链路层sk_buff→Ring Buffer
    5数据链路层→物理层Ring Buffer→网卡Frame
    6物理层网卡→外部网络

    三、网络监控与调优思路整理

    现有场景下

    环节监控调优
    Ring Bufferethtool -g eth0增大队列ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096
    硬中断/proc/interrupts- 多网卡队列
    - 硬中断合并
    软中断/proc/softirqs- 增加ksoftirqd进程占用时间
    - 软中断GRO合并

    其它思路

    1. 网卡卸载(TSO\UFO\GSO\GRO\RSS)
    2. DPDK旁路等
    展开全文
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