linux kernel 网络协议栈之xps特性详解

全称是Transmit Packet Steering，是rfs/rps的作者Tom Herbert提交的又一个patch，预计会在2.6.37进入内核。

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：

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

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。

struct xps_map {
    //队列长度
    unsigned int len;
    unsigned int alloc_len;
    struct rcu_head rcu;
    //对应的队列序列号数组
    u16 queues[0];
};

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。

struct xps_dev_maps {
    //rcu锁
    struct rcu_head rcu;
    //所有对列的cpu map数组
    struct xps_map __rcu *cpu_map[0];
};

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。

struct net_device {
    ................................
#ifdef CONFIG_XPS
    //保存当前设备的所有xps map.
    struct xps_dev_maps __rcu *xps_maps;
#endif
    ..........................
}

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。

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

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。

else if (ops->ndo_select_queue) {
        queue_index = ops->ndo_select_queue(dev, skb);
        queue_index = dev_cap_txqueue(dev, queue_index);

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.

static struct netdev_queue *dev_pick_tx(struct net_device *dev,
                    struct sk_buff *skb)
{
....................................
else {
        struct sock *sk = skb->sk;
        queue_index = sk_tx_queue_get(sk);

        if (queue_index < 0 || skb->ooo_okay ||
            queue_index >= dev->real_num_tx_queues) {
            int old_index = queue_index;
            //开始计算队列索引
            queue_index = get_xps_queue(dev, skb);
            if (queue_index < 0)
                //调用老的计算方法来计算queue index.
                queue_index = skb_tx_hash(dev, skb);
                ......................................................
        }
    }
    //存储队列索引
    skb_set_queue_mapping(skb, queue_index);
    //返回对应的queue
    return netdev_get_tx_queue(dev, queue_index);
}

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.

static inline int get_xps_queue(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
{
#ifdef CONFIG_XPS
    struct xps_dev_maps *dev_maps;
    struct xps_map *map;
    int queue_index = -1;

    rcu_read_lock();
    dev_maps = rcu_dereference(dev->xps_maps);
    if (dev_maps) {
        //根据cpu id得到当前cpu对应的队列集合
        map = rcu_dereference(
            dev_maps->cpu_map[raw_smp_processor_id()]);
        if (map) {
            //如果队列集合长度为1，则说明是1:1对应
            if (map->len == 1)
                queue_index = map->queues[0];
            else {
                //否则开始计算hash值，接下来和老的计算hash方法一致。
                u32 hash;
                //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)
                if (skb->sk && skb->sk->sk_hash)
                    hash = skb->sk->sk_hash;
                else
                    //否则开始重新计算
                    hash = (__force u16) skb->protocol ^
                        skb->rxhash;
                hash = jhash_1word(hash, hashrnd);
                //根据hash值来选择对应的队列
                queue_index = map->queues[
                    ((u64)hash * map->len) >> 32];
            }
            if (unlikely(queue_index >= dev->real_num_tx_queues))
                queue_index = -1;
        }
    }
    rcu_read_unlock();

    return queue_index;
#else
    return -1;
#endif
}