1. 網(wǎng)卡處理數(shù)據(jù)包流程

一圖勝千言，先來看看網(wǎng)卡處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流程圖：

圖片來自參考鏈接1

上圖中虛線步驟的解釋：

1 DMA 將 NIC 接收的數(shù)據(jù)包逐個寫入 sk_buff ，一個數(shù)據(jù)包可能占用多個 sk_buff , sk_buff 讀寫順序遵循FIFO（先入先出）原則。

2 DMA 讀完數(shù)據(jù)之后，NIC 會通過 NIC Interrupt Handler 觸發(fā) IRQ （中斷請求）。

3 NIC driver 注冊 poll 函數(shù)。

4 poll 函數(shù)對數(shù)據(jù)進行檢查，例如將幾個 sk_buff 合并，因為可能同一個數(shù)據(jù)可能被分散放在多個 sk_buff 中。

5 poll 函數(shù)將 sk_buff 交付上層網(wǎng)絡(luò)棧處理。

完整流程：

1 系統(tǒng)啟動時 NIC (network interface card) 進行初始化，系統(tǒng)分配內(nèi)存空間給 Ring Buffer 。

2 初始狀態(tài)下，Ring Buffer 隊列每個槽中存放的 Packet Descriptor 指向 sk_buff ，狀態(tài)均為 ready。

3 DMA 將 NIC 接收的數(shù)據(jù)包逐個寫入 sk_buff ，一個數(shù)據(jù)包可能占用多個 sk_buff ，sk_buff 讀寫順序遵循FIFO（先入先出）原則。

4 被寫入數(shù)據(jù)的 sk_buff 變?yōu)?used 狀態(tài)。

5 DMA 讀完數(shù)據(jù)之后，NIC 會通過 NIC Interrupt Handler 觸發(fā) IRQ （中斷請求）。

6 NIC driver 注冊 poll 函數(shù)。

7 poll 函數(shù)對數(shù)據(jù)進行檢查，例如將幾個 sk_buff 合并，因為可能同一個數(shù)據(jù)可能被分散放在多個 sk_buff 中。

8 poll 函數(shù)將 sk_buff 交付上層網(wǎng)絡(luò)棧處理。

9 poll 函數(shù)清理 sk_buff，清理 Ring Buffer 上的 Descriptor 將其指向新分配的 sk_buff 并將狀態(tài)設(shè)置為 ready。

2. 多 CPU 下的 Ring Buffer 處理

因為分配給 Ring Buffer 的空間是有限的，當收到的數(shù)據(jù)包速率大于單個 CPU 處理速度的時候 Ring Buffer 可能被占滿，占滿之后再來的新數(shù)據(jù)包會被自動丟棄。

如果在多核 CPU 的服務(wù)器上，網(wǎng)卡內(nèi)部會有多個 Ring Buffer，NIC 負責將傳進來的數(shù)據(jù)分配給不同的 Ring Buffer，同時觸發(fā)的 IRQ 也可以分配到多個 CPU 上，這樣存在多個 Ring Buffer 的情況下， Ring Buffer 緩存的數(shù)據(jù)也同時被多個 CPU 處理，就能提高數(shù)據(jù)的并行處理能力。

當然，要實現(xiàn)“NIC 負責將傳進來的數(shù)據(jù)分配給不同的 Ring Buffer”，NIC 網(wǎng)卡必須支持 Receive Side Scaling(RSS) 或者叫做 multiqueue 的功能。RSS 除了會影響到 NIC 將 IRQ 發(fā)到哪個 CPU 之外，不會影響別的邏輯了。數(shù)據(jù)處理過程跟之前描述的是一樣的。

3. Ring Buffer 相關(guān)命令

在生產(chǎn)實踐中，因 Ring Buffer 寫滿導(dǎo)致丟包的情況很多。當環(huán)境中的業(yè)務(wù)流量過大且出現(xiàn)網(wǎng)卡丟包的時候，考慮到 Ring Buffer 寫滿是一個很好的思路。

總結(jié)下 Ring Buffer 相關(guān)的命令：

3.1 網(wǎng)卡收到的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計

[root@test ]$ ethtool -S em1 | more
NIC statistics:
     rx_packets: 35874336743
     tx_packets: 35163830212
     rx_bytes: 6337524253985
     tx_bytes: 3686383656436
     rx_broadcast: 15392577
     tx_broadcast: 873436
     rx_multicast: 45849160
     tx_multicast: 1784024

RX 就是收到數(shù)據(jù)，TX 是發(fā)出數(shù)據(jù)。

3.2 帶有 drop 字樣的統(tǒng)計和 fifo_errors 的統(tǒng)計

[root@test ]$ethtool -S em1 | grep -iE "error|drop"
rx_crc_errors: 0
rx_missed_errors: 0
tx_aborted_errors: 0
tx_carrier_errors: 0
tx_window_errors: 0
rx_long_length_errors: 0
rx_short_length_errors: 0
rx_align_errors: 0
dropped_smbus: 0
rx_errors: 0
tx_errors: 0
tx_dropped: 0
rx_length_errors: 0
rx_over_errors: 0
rx_frame_errors: 0
rx_fifo_errors: 79270
tx_fifo_errors: 0
tx_heartbeat_errors: 0
rx_queue_0_drops: 16669
rx_queue_1_drops: 21522
rx_queue_2_drops: 0
rx_queue_3_drops: 5678
rx_queue_4_drops: 5730
rx_queue_5_drops: 14011
rx_queue_6_drops: 15240
rx_queue_7_drops: 420

發(fā)送隊列和接收隊列 drop 的數(shù)據(jù)包數(shù)量顯示在這里。并且所有 queue_drops 加起來等于 rx_fifo_errors。

所以總體上能通過 rx_fifo_errors 看到 Ring Buffer 上是否有丟包。如果有的話一方面是看是否需要調(diào)整一下每個隊列數(shù)據(jù)的分配，或者是否要加大 Ring Buffer 的大小。

3.3 查詢 Ring Buffer 大小

[root@test]$ ethtool -g em1
Ring parameters for em1:
Pre-set maximums:
RX: 4096
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 4096
Current hardware settings:
RX: 256
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 256

RX 和 TX 最大是 4096，當前值為 256 。隊列越大丟包的可能越小，但數(shù)據(jù)延遲會增加。

3.4 調(diào)整 Ring Buffer 隊列數(shù)量

[root@test]$ ethtool -l em1
Channel parameters for em1:
Pre-set maximums:
RX:        0
TX:        0
Other:        1
Combined:    8
Current hardware settings:
RX:        0
TX:        0
Other:        1
Combined:    8

Combined = 8，說明當前 NIC 網(wǎng)卡會使用 8 個進程處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

更改 eth0 網(wǎng)卡 Combined 的值：

ethtool -L eth0 combined 8

需要注意的是，ethtool 的設(shè)置操作可能都要重啟一下才能生效。

3.4 調(diào)整 Ring Buffer 隊列大小 查看當前 Ring Buffer 大?。?/strong>

[root@test]$ ethtool -g em1
Ring parameters for em1:
Pre-set maximums:
RX:        4096
RX Mini:    0
RX Jumbo:    0
TX:        4096
Current hardware settings:
RX:        256
RX Mini:    0
RX Jumbo:    0
TX:        256

[root@test]$ ethtool -x em1
RX flow hash indirection table for em1 with 8 RX ring(s):
    0:      0     0     0     0     0     0     0     0
    8:      0     0     0     0     0     0     0     0
   16:      1     1     1     1     1     1     1     1
   24:      1     1     1     1     1     1     1     1
   32:      2     2     2     2     2     2     2     2
   40:      2     2     2     2     2     2     2     2
   48:      3     3     3     3     3     3     3     3
   56:      3     3     3     3     3     3     3     3
   64:      4     4     4     4     4     4     4     4
   72:      4     4     4     4     4     4     4     4
   80:      5     5     5     5     5     5     5     5
   88:      5     5     5     5     5     5     5     5
   96:      6     6     6     6     6     6     6     6
  104:      6     6     6     6     6     6     6     6
  112:      7     7     7     7     7     7     7     7
  120:      7     7     7     7     7     7     7     7
RSS hash key:
Operation not supported

[root@test]$ ethtool -n em1 rx-flow-hash tcp4
TCP over IPV4 flows use these fields for computing Hash flow key:
IP SA
IP DA
L4 bytes 0 & 1 [TCP/UDP src port]
L4 bytes 2 & 3 [TCP/UDP dst port]