• 一文看懂linux 内核网络中 RPS/RFS 原理

    1 自带 irqbalance 瓶颈

    基于简单的中断负载均衡(如系统自带的irqbalance进程)可能会弄巧成拙。因为其并不识别网络流，只识别到这是一个数据包，不能识别到数据包的元组信息。

    在多处理器系统的每个处理器都有单独的硬件高速缓存，如果其中一个 CPU 修改了自己的硬件高速缓存，它就必须该数据是否包含在其它 CPU 的硬件高速缓存，如果存在，必须通知其它 CPU 更新硬件高速缓存，这叫做 CPU 的 cache 一致性。所以为了降低 CPU 硬件高速缓存的刷新频率，需要把特征相似的数据包分配给同一个 CPU 处理。

    另外在TCP的IP包的分段重组问题，一旦乱序就要重传，一个 linux 主机如果只是作为一台路由器的话，那么进入系统的一个TCP包的不同分段如果被不同的 cpu 处理并向一个网卡转发了，那么同步问题会很麻烦的，如果不做同步处理，那么很可能后面的段被一个 cpu 先发出去了，那最后接收方接收到乱序的包后就会请求重发，这样则还不如是一个 cpu 串行处理。

    这个需要一套方案，需要弄清楚三个问题：

    • 哪个 CPU 在消耗这个网络数据
    • 哪个 CPU 在处理中断
    • 哪个 CPU 在做软中断

    这个三个问题就是 RPS/RFS 需要去解决的。

    2 RPS/RFS 数据结构以及更新函数

    linux 底层的很多机密都藏在数据结构中，包括其面向对象的设计，所以先来看下这些数据结构。网卡的硬件接收队列 netdev_rx_queue（include/linux/netdevice.h）。

    1. /* This structure contains an instance of an RX queue. */
    2. struct netdev_rx_queue {
    3. #ifdef CONFIG_RPS
    4. 	struct rps_map __rcu		*rps_map;
    5. 	struct rps_dev_flow_table __rcu	*rps_flow_table;
    6. #endif
    7. 	struct kobject			kobj;
    8. 	struct net_device		*dev;
    9. } ____cacheline_aligned_in_smp;

    2.1 CPU 负载表 rps_map

    存放解析结果的就是网卡硬件接收队列实例的 rps_map 成员, cpus数组用来记录配置文件中配置的参与报文分发处理的cpu的数组，而len成员就是cpus数组的长度。

    1. /*
    2.  * This structure holds an RPS map which can be of variable length.  The
    3.  * map is an array of CPUs.
    4.  */
    5. struct rps_map {
    6. 	unsigned int len;
    7. 	struct rcu_head rcu;
    8. 	u16 cpus[0];
    9. };

    2.1.1 rps_map 解析函数（store_rps_map）

    1. // net/core/net-sysfs.c
    2. static ssize_t store_rps_map(struct netdev_rx_queue *queue,
    3. 			     const char *buf, size_t len)
    4. {
    5. 	struct rps_map *old_map, *map;
    6. 	cpumask_var_t mask;
    7. 	int err, cpu, i;
    8. 	static DEFINE_MUTEX(rps_map_mutex);
    9.  
    10. 	if (!capable(CAP_NET_ADMIN))
    11. 		return -EPERM;
    12.  
    13. 	if (!alloc_cpumask_var(&mask, GFP_KERNEL))
    14. 		return -ENOMEM;
    15.  
    16. 	err = bitmap_parse(buf, len, cpumask_bits(mask), nr_cpumask_bits);
    17. 	if (err) {
    18. 		free_cpumask_var(mask);
    19. 		return err;
    20. 	}
    21.  
    22. 	map = kzalloc(max_t(unsigned int,
    23. 			    RPS_MAP_SIZE(cpumask_weight(mask)), L1_CACHE_BYTES),
    24. 		      GFP_KERNEL);
    25. 	if (!map) {
    26. 		free_cpumask_var(mask);
    27. 		return -ENOMEM;
    28. 	}
    29.  
    30. 	i = 0;
    31. 	for_each_cpu_and(cpu, mask, cpu_online_mask)
    32. 		map->cpus[i++] = cpu;
    33.  
    34. 	if (i) {
    35. 		map->len = i;
    36. 	} else {
    37. 		kfree(map);
    38. 		map = NULL;
    39. 	}
    40.  
    41. 	mutex_lock(&rps_map_mutex);
    42. 	old_map = rcu_dereference_protected(queue->rps_map,
    43. 					    mutex_is_locked(&rps_map_mutex));
    44. 	rcu_assign_pointer(queue->rps_map, map);
    45.  
    46. 	if (map)
    47. 		static_key_slow_inc(&rps_needed);
    48. 	if (old_map)
    49. 		static_key_slow_dec(&rps_needed);
    50.  
    51. 	mutex_unlock(&rps_map_mutex);
    52.  
    53. 	if (old_map)
    54. 		kfree_rcu(old_map, rcu);
    55.  
    56. 	free_cpumask_var(mask);
    57. 	return len;
    58. }
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    2.2 设备流表 rps_dev_flow_table

    设备流表 rps_dev_flow_table (include/linux/netdevice.h)。mask 成员是类型为 struct rps_dev_flow 的数组的大小，也就是流表项的数目，通过配置文件 /sys/class/net/(dev)/queues/rx-(n)/rps_flow_cnt 进行指定的。当设置了配置文件，那么内核就会获取到数据，并初始化网卡硬件接收队列中的设备流表成员rps_flow_table(初始化过程函数 store_rps_dev_flow_table_cnt)。

    1. /*
    2.  * The rps_dev_flow_table structure contains a table of flow mappings.
    3.  */
    4. struct rps_dev_flow_table {
    5. 	unsigned int mask;
    6. 	struct rcu_head rcu;
    7. 	struct rps_dev_flow flows[0];
    8. };

    rps_dev_flow 类型的实例则主要包括存放着上次处理该流中报文的 cpu 以及所在 cpu 私有数据对象 softnet_data 的 input_pkt_queue 队列尾部索引的两个成员。

    1. /*
    2.  * The rps_dev_flow structure contains the mapping of a flow to a CPU, the
    3.  * tail pointer for that CPU's input queue at the time of last enqueue, and
    4.  * a hardware filter index.
    5.  */
    6. struct rps_dev_flow {
    7. 	u16 cpu;
    8. 	u16 filter;
    9. 	unsigned int last_qtail;
    10. };

    2.2.1 设备流表初始化函数 store_rps_dev_flow_table_cnt

    1.  static ssize_t store_rps_dev_flow_table_cnt(struct netdev_rx_queue *queue,
    2. 					    const char *buf, size_t len)
    3. {
    4. 	unsigned long mask, count;
    5. 	struct rps_dev_flow_table *table, *old_table;
    6. 	static DEFINE_SPINLOCK(rps_dev_flow_lock);
    7. 	int rc;
    8.  
    9. 	if (!capable(CAP_NET_ADMIN))
    10. 		return -EPERM;
    11.  
    12. 	rc = kstrtoul(buf, 0, &count);
    13. 	if (rc < 0)
    14. 		return rc;
    15.  
    16. 	if (count) {
    17. 		mask = count - 1;
    18. 		/* mask = roundup_pow_of_two(count) - 1;
    19. 		 * without overflows...
    20. 		 */
    21. 		while ((mask | (mask >> 1)) != mask)
    22. 			mask |= (mask >> 1);
    23. 		/* On 64 bit arches, must check mask fits in table->mask (u32),
    24. 		 * and on 32bit arches, must check
    25. 		 * RPS_DEV_FLOW_TABLE_SIZE(mask + 1) doesn't overflow.
    26. 		 */
    27. #if BITS_PER_LONG > 32
    28. 		if (mask > (unsigned long)(u32)mask)
    29. 			return -EINVAL;
    30. #else
    31. 		if (mask > (ULONG_MAX - RPS_DEV_FLOW_TABLE_SIZE(1))
    32. 				/ sizeof(struct rps_dev_flow)) {
    33. 			/* Enforce a limit to prevent overflow */
    34. 			return -EINVAL;
    35. 		}
    36. #endif
    37. 		table = vmalloc(RPS_DEV_FLOW_TABLE_SIZE(mask + 1));
    38. 		if (!table)
    39. 			return -ENOMEM;
    40.  
    41. 		table->mask = mask;
    42. 		for (count = 0; count <= mask; count++)
    43. 			table->flows[count].cpu = RPS_NO_CPU;
    44. 	} else {
    45. 		table = NULL;
    46. 	}
    47.  
    48. 	spin_lock(&rps_dev_flow_lock);
    49. 	old_table = rcu_dereference_protected(queue->rps_flow_table,
    50. 					      lockdep_is_held(&rps_dev_flow_lock));
    51. 	rcu_assign_pointer(queue->rps_flow_table, table);
    52. 	spin_unlock(&rps_dev_flow_lock);
    53.  
    54. 	if (old_table)
    55. 		call_rcu(&old_table->rcu, rps_dev_flow_table_release);
    56.  
    57. 	return len;
    58. }

    2.3 全局的数据流表（rps_sock_flow_table）

    该表中包含了数据流期望被处理的 CPU，是当前处理流中报文的应用程序所在的 CPU。全局 socket 流表会在调 recvmsg，sendmsg (inet_accept(), inet_recvmsg(), inet_sendmsg(), inet_sendpage() and tcp_splice_read())被设置更新。最终调用函数 rps_record_sock_flow 来更新 ents 数组的。

    1. /*
    2.  * The rps_sock_flow_table contains mappings of flows to the last CPU
    3.  * on which they were processed by the application (set in recvmsg).
    4.  * Each entry is a 32bit value. Upper part is the high-order bits
    5.  * of flow hash, lower part is CPU number.
    6.  * rps_cpu_mask is used to partition the space, depending on number of
    7.  * possible CPUs : rps_cpu_mask = roundup_pow_of_two(nr_cpu_ids) - 1
    8.  * For example, if 64 CPUs are possible, rps_cpu_mask = 0x3f,
    9.  * meaning we use 32-6=26 bits for the hash.
    10.  */
    11. struct rps_sock_flow_table {
    12. 	u32	mask;
    13.  
    14. 	u32	ents[0] ____cacheline_aligned_in_smp;
    15. };

    mask 成员存放的就是 ents 这个数组的大小，通过配置文件 /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries 的方式指定的。

    2.3.1 全局流表更新函数 ( rps_record_sock_flow )

    每次用户程序读取数据包都会更新 rps_sock_flow_table 表，保证其中的 CPU号是最新的。

    1. // include/linux/netdevice.h
    2. static inline void rps_record_sock_flow(struct rps_sock_flow_table *table,
    3. 					u32 hash)
    4. {
    5. 	if (table && hash) {
    6. 		unsigned int index = hash & table->mask;
    7. 		u32 val = hash & ~rps_cpu_mask;
    8.  
    9. 		/* We only give a hint, preemption can change CPU under us */
    10. 		val |= raw_smp_processor_id();
    11.  
    12. 		if (table->ents[index] != val)
    13. 			table->ents[index] = val;
    14. 	}
    15. }

    3 RPS 工作流程　　

    rps 和 rfs 的工作都是在软中断上下文中执行，因为该阶段处理工作是和进程无关的，又和底层硬件剥离了。能够实现网络协议栈软中断的负载均衡。

    rps 实现的总流程如下：将数据包加入其它CPU的接收队列，其它CPU将会在自己的软中断中执行 process_backlog，process_backlog 将会接收队列中的所有数据包，并调用 __netif_receive_skb() 执行后续工作。

    Linux是通过配置文件的方式指定哪些cpu核参与到报文的分发处理，配置文件存放的路径是：/sys/class/net/(dev)/queues/rx-(n)/rps_cpus。设置好该配置文件之后，内核就会去获取该配置文件的内容，然后根据解析的结果生成一个用于参与报文分发处理的cpu列表，这样当收到报文之后，就可以建立起 hash-cpu 的映射关系了，解析函数为store_rps_map，结果存放在 rps_map 中。

    rps 会根据数据包的hash值(报文hash值，可以由网卡计算得到，也可以是由软件计算得到，具体的计算也因报文协议不同而有所差异，如tcp报文的hash值是根据四元组信息，即源ip、源端口、目的ip和目的端口进行hash计算得到的)来选择CPU，选目标cpu的动作具体的实现函数是get_rps_cpu，其定义在net/core/dev.c文件中, 实现从cpu列表中获取核号的：

    staticint get_rps_cpu(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb, structrps_dev_flow **rflowp)

    rps 是单纯用报文的hash值来分发报文，而不关注处理该流中报文的应用程序所在的cpu。

    那么何时调用函数get_rps_cpu呢？

    支持 NAPI 接口的驱动而言，在上半部主要就是将设备加入到 cpu 的私有数据 softnet_data 的待轮询设备列表中，下半部主要就是调用poll回调函数从网卡缓冲区中获取报文，然后向上给协议栈。

    函数 get_rps_cpu 会被 netif_rcv_skb 调用，获取到用于分发处理报文的目标 cpu，如果目标 cpu 有效，则会调用 enqueue_to_backlog()（net/core/dev.c ）函数，尝试将报文加入到cpu私有数据对象 softnet_data 的 input_pkt_queue 队列中。

    数据对象 softnet_data 中有 backlog 的成员，该成员类型为 struct napi_struct，在函数 enqueue_to_backlog() 中，会将 backlog 加入到 cpu 的待轮询设备列表中，并触发软中断，在软中断处理函数 net_rx_action() 中会依次遍历待轮询设备列表中的设备，并调用设备注册的 poll 回调函数来进行报文处理。

    从 input_pkt_queue 队列该队列中取出报文，然后调用 __netif_receive_skb() 上报文送至协议栈进行后续处理。

    如果没有rps的处理流程（现在一般均采用的是NAPI收包方式），软中断处理函数net_rx_action()会调用网卡驱动注册的poll回调函数从网卡中获取到报文数据后就将报文数据上送至协议栈。

    对于有rps的处理流程，软中断处理函数 net_rx_action() 会调用网卡驱动注册的 poll 回调函数从网卡中获取到报文数据后，暂时不直接送至协议栈，而是选择一个目标cpu，将报文放到该cpu私有数据对象 softnet_data 的 input_pkt_queue 队列中，待对列 input_pkt_queue 满了之后，就将该cpu对应的backlog设备对象加入到该cpu的待轮询设备列表中，并触发软中断，软中断处理函数轮询到 backlog 设备对象后，调用poll回调函数 process_backlog() 从 input_pkt_queue 队列中取出报文，再上送至协议栈。

    如下图左边是没有使用 rps，右边是使用 rps。

    4 RFS 工作流程　

    RFS 在 RPS 上的改进，通过RPS可以把同一流的数据包分发给同一个 CPU 核来处理，但是有可能发给该数据流分发的 CPU 核和执行处理该数据流的应用程序的CPU核不是同一个。

    当用户态处理报文的 cpu 和内核处理报文软中断的 cpu 不同的时候，就会导致 cpu 的缓存不命中。而 rfs 就是用来处理这种情况的，rfs 的目标是通过指派处理报文的应用程序所在的 cpu 来在内核态处理报文，以此来增加 cpu 的缓存命中率。rfs 和 rps 的主要差别就是在选取分发处理报文的目标cpu上。

    rfs 实现指派处理报文的应用程序所在的cpu来在内核态处理报文主要是依靠两个流表来实现的：

    • 一个是设备流表 rps_dev_flow_table，记录的是上次在内核态处理该流中报文的cpu；
    • 一个是全局的socket流表 rps_sock_flow_table，记录报文期望被处理的目标cpu。

    4.1 负载均衡策略 get_rps_cpu()【核心】

    1. /*
    2.  * get_rps_cpu is called from netif_receive_skb and returns the target
    3.  * CPU from the RPS map of the receiving queue for a given skb.
    4.  * rcu_read_lock must be held on entry.
    5.  */
    6. static int get_rps_cpu(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb,
    7. 		       struct rps_dev_flow **rflowp)
    8. {
    9. 	const struct rps_sock_flow_table *sock_flow_table;
    10. 	struct netdev_rx_queue *rxqueue = dev->_rx;
    11. 	struct rps_dev_flow_table *flow_table;
    12. 	struct rps_map *map;
    13. 	int cpu = -1;
    14. 	u32 tcpu;
    15. 	u32 hash;
    16.  
    17. 	if (skb_rx_queue_recorded(skb)) {
    18. 		u16 index = skb_get_rx_queue(skb);//获取网卡的rx队列
    19.  
    20. 		if (unlikely(index >= dev->real_num_rx_queues)) {
    21. 			WARN_ONCE(dev->real_num_rx_queues > 1,
    22. 				  "%s received packet on queue %u, but number "
    23. 				  "of RX queues is %u\n",
    24. 				  dev->name, index, dev->real_num_rx_queues);
    25. 			goto done;
    26. 		}
    27. 		rxqueue += index;
    28. 	}
    29.  
    30. 	/* Avoid computing hash if RFS/RPS is not active for this rxqueue */
    31.  
    32. 	flow_table = rcu_dereference(rxqueue->rps_flow_table);
    33.     
    34.     // RPS 逻辑
    35. 	map = rcu_dereference(rxqueue->rps_map);
    36. 	if (!flow_table && !map)
    37. 		goto done;
    38.  
    39. 	skb_reset_network_header(skb);
    40. 	hash = skb_get_hash(skb);
    41. 	if (!hash)
    42. 		goto done;
    43.  
    44. 	sock_flow_table = rcu_dereference(rps_sock_flow_table);
    45.     
    46.     // RFS 逻辑
    47. 	if (flow_table && sock_flow_table) {
    48. 		struct rps_dev_flow *rflow;
    49. 		u32 next_cpu;
    50. 		u32 ident;
    51.  
    52. 		/* First check into global flow table if there is a match */
    53. 		ident = sock_flow_table->ents[hash & sock_flow_table->mask];
    54. 		if ((ident ^ hash) & ~rps_cpu_mask)
    55. 			goto try_rps;
    56.  
    57. 		next_cpu = ident & rps_cpu_mask;
    58.  
    59. 		/* OK, now we know there is a match,
    60. 		 * we can look at the local (per receive queue) flow table
    61. 		 */
    62. 		rflow = &flow_table->flows[hash & flow_table->mask];
    63. 		tcpu = rflow->cpu;
    64.  
    65. 		/*
    66. 		 * If the desired CPU (where last recvmsg was done) is
    67. 		 * different from current CPU (one in the rx-queue flow
    68. 		 * table entry), switch if one of the following holds:
    69. 		 *   - Current CPU is unset (>= nr_cpu_ids).
    70. 		 *   - Current CPU is offline.
    71. 		 *   - The current CPU's queue tail has advanced beyond the
    72. 		 *     last packet that was enqueued using this table entry.
    73. 		 *     This guarantees that all previous packets for the flow
    74. 		 *     have been dequeued, thus preserving in order delivery.
    75. 		 */
    76. 		if (unlikely(tcpu != next_cpu) &&
    77. 		    (tcpu >= nr_cpu_ids || !cpu_online(tcpu) ||
    78. 		     ((int)(per_cpu(softnet_data, tcpu).input_queue_head -
    79. 		      rflow->last_qtail)) >= 0)) {
    80. 			tcpu = next_cpu;
    81. 			rflow = set_rps_cpu(dev, skb, rflow, next_cpu);
    82. 		}
    83.  
    84. 		if (tcpu < nr_cpu_ids && cpu_online(tcpu)) {
    85. 			*rflowp = rflow;
    86. 			cpu = tcpu;
    87. 			goto done;
    88. 		}
    89. 	}
    90.  
    91. try_rps:
    92.  
    93. 	if (map) { //RPS 逻辑
    94. 		tcpu = map->cpus[reciprocal_scale(hash, map->len)];
    95. 		if (cpu_online(tcpu)) {
    96. 			cpu = tcpu;
    97. 			goto done;
    98. 		}
    99. 	}
    100.  
    101. done:
    102. 	return cpu;
    103. }

    rfs 的负载均衡策略通过判断报文的 hash 值(流 hash 值)所对应的两个流表（设备流表和全局socket流表）中的记录的cpu是否相同来实施的。

    1、如果当前CPU表（设备流表）对应表项未设置或者当前CPU表对应表项映射的 CPU 核处于离线状态，那么使用期望CPU表（全局流表）对应表项映射的CPU核。

    2、如果当前CPU表对应表项映射的CPU核和期望CPU表对应表项映射的CPU核为同一个，就使用这一个核。

    3、如果当前CPU表对应表项映射的CPU核和期望CPU表对应表项映射的CPU核不为同一个：

    • a) 如果同一流的前一段数据包未处理完，必须使用当前CPU表对应表项映射的CPU核，避免乱序。
    • b) 如果同一流的前一段数据包已经处理完，那么则可以使用期望CPU表对应表项映射的CPU核。

    4、如果 设备流表和 全局流表 均为设置，则使用 rps 策略中的CPU流表。

    5、如果 rps表 ，设备流表、全局流表均为设置，返回无效 cpu_index(-1)。

    5 RPS/RFS 配置方法

    在大于等于2.6.35版本的Linux kernel上可以直接使用，默认都是关闭的。

    RPS设置：

    RPS指定哪些接收队列需要通过rps平均到配置的cpu列表上。

    /sys/class/net/(dev)/queues/rx-(n)/rps_cpus

    RFS设置：

    每个队列的数据流表总数可以通过下面的参数来设置：

    该值设置成rps_sock_flow_entries/N，其中Ｎ表示设备的接收队列数量。

    /sys/class/net/(dev)/queues/rx-(n)/rps_flow_cnt

    全局数据流表(rps_sock_flow_table)的总数，红帽是建议设置成 32768，一般设置成最大并发链接数量

    /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries

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