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工作器性能优化之积聚性能优化

工作器性能优化之积聚性能优化

本文转载自微信公众号「极客壮盛」,作家极客壮盛。转载本文请磋议极客壮盛公众号。

hi ,全球好,今天分享一篇后台工作器性能优化之积聚性能优化,但愿全球对Linux积聚有更深的和谐。

曾几何时,一切都是那么浅易。网卡很慢,唯唯独个队伍。当数据包到达时,网卡通过DMA复制数据包并发送中断,Linux内核采集这些数据包并完成中断处理。跟着网卡越来越快,基于中断的模子可能会因大都传入数据包而导致 IRQ 风暴。这将破钞大部分 CPU 功率并冻结系统。

为了惩办这个问题,NAPI(中断+轮询)被冷漠。当内核收到来自网卡的中断时,它运行轮询成立并尽快采集队伍中的数据包。NAPI 不错很好地与当今常见的 1 Gbps 网卡配合使用。可是,关于10Gbps、20Gbps致使40Gbps的网卡,NAPI可能还不够。如果咱们仍然使用一个 CPU 和一个队伍来袭取数据包,这些卡将需要更快的 CPU。

运道的是,当今多核 CPU 很流行,那么为什么不并行处理数据包呢?

RSS:袭取端缩放

Receive Side Scaling(RSS)是所述机构具有多个RX / TX队伍历程的数据包。当带有RSS 的网卡袭取到数据包时,它会对数据包应用过滤器并将数据包分发到RX 队伍。过滤器往往是一个哈希函数,不错通过“ethtool -X”进行配置。如果你想在前 3 个队伍中均匀散布流量:

# ethtool -X eth0 equal 3 

或者,如果你发现一个相当有用的魔法哈希键:

 

# ethtool -X eth0 hkey <magic hash key> 

关于低延迟积聚,除了过滤器以外,CPU 亲和性也很要害。最好建立是分派一个 CPU 专用于一个队伍。领先通过检讨/proc/interrupt找出IRQ号,然后将CPU位掩码建立为/proc/irq//smp_affinity来分派专用CPU。为幸免建立被隐敝,必须禁用看管进度irqbalance。请细心,把柄内核文档,超线程对中断处理莫得任何平允,因此最好将队伍数与物理 CPU 内核数相匹配。

RPS:袭取数据包抑制

RSS提供硬件队伍,一个称为软件队伍机制Receive Packet Steering (RPS)在Linux内核结束。

当驱动步伐袭取到数据包时,它会将数据包包装在套接字缓冲区 ( sk_buff ) 中,其中包含数据包的u32哈希值。散列是所谓的第 4 层散列(l4 散列),它基于源 IP、源端口、主义 IP 和主义端口,由网卡或__skb_set_sw_hash() 瞎想。由于疏导 TCP/UDP 贯串(流)的每个数据包分享疏导的哈希值,因此使用疏导的 CPU 处理它们是合理的。

RPS 的基本思惟是把柄每个队伍的 rps_map 将团结流的数据包发送到特定的 CPU。这是 rps_map 的结构:映射把柄 CPU 位掩码动态更正为/sys/class/net//queues/rx-/rps_cpus。比如咱们要让队伍使用前3个CPU,在8个CPU的系统中,咱们先构造位掩码,0 0 0 0 0 1 1 1,到0x7,然后

#echo 7 > /sys/class/net /eth0/queues/rx-0/rps_cpus 

这将保证从 eth0 中队伍 0 袭取的数据包参加 CPU 1~3。驱动步伐在 sk_buff 中包装一个数据包后,它将到达netif_rx_internal()或netif_receive_skb_internal(),然后到达 get_rps_cpu()

struct rps_map { unsigned int len; struct rcu_head rcu;     u16 cpus[0]; }; 

将被调用以将哈希映射到 rps_map 中的条件,即 CPU id。得到CPU id后,enqueue_to_backlog()将sk_buff放到特定的CPU队伍中进行进一步处理。每个 CPU 的队伍在 per-cpu 变量softnet_data 等分派。

使用RPS的平允是不错在 CPU 之间摊派数据包处理的负载。可是,如果RSS 可用,则可能莫得必要,因为网卡依然对每个队伍/CPU 的数据包进行了排序。可是,如果队伍中的CPU数更多,RPS 仍然不错发挥作用。在这种情况下,每个队伍不错与多个 CPU关联联并在它们之间分发数据包。

RFS: Receive Flow Steering

尽管 RPS 基于流分发数据包,但它莫得探讨用户空间应用步伐。应用步伐可能在 CPU A 上运行,而内核将数据包放入 CPU B 的队伍中。由于 CPU A 只可使用我方的缓存,因此 CPU B 中缓存的数据包变得不消。Receive Flow Steering(RFS)进一步延长为RPS的应用步伐。

代替每个队伍的哈希至CPU舆图,RFS爱护全局flow-to-CPU的表,rps_sock_flow_table:该掩模用于将散列值映射成所述表的索引。由于表大小将四舍五入到 2 的幂,因此掩码建立为table_size - 1。

struct rps_sock_flow_table {     u32 mask;     u32 ents[0]; }; 

况且很容易找到索引:a sk_buff与hash & scok_table->mask。

该条件由 rps_cpu_mask折柳为流 id 和 CPU id。低位用于CPU id,而高位用于流id。当应用步伐对套接字进行操作时(inet_recvmsg()、inet_sendmsg()、inet_sendpage()、tcp_splice_read()),将调用sock_rps_record_flow()来更新sock 流表。

当数据包到来时,将调用get_rps_cpu()来决定使用哪个 CPU 队伍。底下是get_rps_cpu()怎样决定数据包的 CPU

ident = sock_flow_table->ents[hash & sock_flow_table->mask]; if ((ident ^ hash) & ~rps_cpu_mask)      goto try_rps; next_cpu = ident & rps_cpu_mask; 

使用流表掩码找到条主义索引,并检讨散列的高位是否与条件匹配。如果是, chinese乱子伦xxxx国语对白它会从条件中检索 CPU id 并为数据包分派该 CPU。如果散列不匹配任何条件,它会回退到使用 RPS 映射。

不错通过rps_sock_flow_entries颐养 sock 流表的大小。举例,如果咱们要将表大小建立为 32768:

#echo 32768 > /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries 

sock流表天然提高了应用的局部性,但也带来了一个问题。当调遣器将应用步伐搬动到新 CPU 时,旧 CPU 队伍中剩余的数据包变得未完成,应用步伐可能会得到乱序的数据包。为了惩办这个问题,RFS 使用每个队伍的rps_dev_flow_table来追踪未完成的数据包。

底下是该结构rps_dev_flow_table:到袜子流表中,雷同的rps_dev_flow_table也使用table_size - 1算作掩模而表的大小也必须被朝上舍入到2的幂当流量分组被入队,last_qtail被更新

struct rps_dev_flow {     u16 cpu;     u16 filter; /* For aRFS */ unsigned int last_qtail; }; struct rps_dev_flow_table { unsigned int mask; struct rcu_head rcu; struct rps_dev_flow flows[0]; }; 

到 CPU 队伍的尾部。如果应用步伐搬动到新 CPU,则 sock 流表将反馈更正,况且get_rps_cpu()将为流建立新 CPU。在建立新 CPU 之前,get_rps_cpu() 会检讨面前队伍的头部是否依然通过 last_qtail。如果是这样,这意味着队伍中莫得更多未完成的数据包,况且不错安全地更正 CPU。不然,get_rps_cpu()仍将使用rps_dev_flow->cpu 中记载的旧 CPU 。

每个队伍的流表(rps_dev_flow_table)的大小不错通过 sysfs 接口进行配置:

/sys/class/net/<dev>/queues/rx-<n>/rps_flow_cnt 

建议将rps_flow_cnt建立为 ( rps_sock_flow_entries / N) 而 N 是 RX 队伍的数目(假定流在队伍中均匀散布)。

ARFS:加速袭取流量转向

Accelerated Receive Flow Steering(aRFS)进一步延长RFS为RX队伍硬件过滤。要启用 aRFS,它需要具有可编程元组过滤器和驱动步伐支持的网卡。要启用ntuple 过滤器。

# ethtool -K eth0 ntuple on 

要使驱动步伐支持aRFS,它必须结束ndo_rx_flow_steer以匡助set_rps_cpu()配置硬件过滤器。当get_rps_cpu()决定为流分派一个新 CPU 时,它会调用set_rps_cpu()。set_rps_cpu()领先检讨网卡是否支持 ntuple 过滤器。如果是,它将查询rx_cpu_rmap为流找到合适的 RX 队伍。

rx_cpu_rmap是驱动爱护的非常映射。该映射用于查找哪个 RX 队伍稳健 CPU。它不错是与给定 CPU 径直关联的队伍,也不错是处理 CPU 在缓存位置最接近的队伍。获取 RX 队伍索引后,set_rps_cpu()调用ndo_rx_flow_steer()以奉告驱动步伐为给定的流创建新过滤器。ndo_rx_flow_steer()将复返过滤器 id,过滤器 id 将存储在每个队伍的流表中。

除了结束ndo_rx_flow_steer() 外,驱动步伐还必须调用rps_may_expire_flow() 按期检讨过滤器是否仍然有用并删除过时的过滤器。

SO_REUSEPORT

linux man文档中一段笔墨刻画其作用:

The new socket option allows multiple sockets on the same host to bind to the same port, and is intended to improve the performance of multithreaded network server applications running on top of multicore systems.

浅易说,SO_REUSEPORT支持多个进度或者线程绑定到团结端口,用以提高工作器步伐的性能。咱们想了解为什么这个特色这样火(通常被大厂口试官问到),到底是惩办什么问题。

Linux系统上后台应用步伐,为了诳骗多核的上风,一般使用以下比拟典型的多进度/多线程工作器模子:

单线程listen/accept,2012最新最全中文字幕多个使命线程袭取任务分发,虽CPU的使命负载不再是问题,但会存在:

1. 单线程listener,在处理高速度海量贯串时,相通会成为瓶颈;

2. CPU缓存行失效(丢失套接字结构socket structure)风物严重;

整个使命线程都accept()在团结个工作器套接字上呢,相通存在问题:

1. 多线程造访server socket锁竞争严重;

2. 高负载下,线程之间处理不平衡,只怕高达3:1不平衡比例;

3. 导致CPU缓存行非常(cache line bouncing);

4. 在艰辛CPU上存在较大延迟;

上头模子天然不错做到线程和CPU核绑定,但都会存在以下问题:

单一listener使命线程在高速的贯串接入处理时会成为瓶颈 缓存行非常 很难做到CPU之间的负载平衡 跟着核数的膨胀,性能并莫得跟着提高

SO_REUSEPORT支持多个进度或者线程绑定到团结端口:

允好多个套接字 bind()/listen() 团结个TCP/UDP端口

1.每一个线程领有我方的工作器套接字。

2.在工作器套接字上莫得了锁的竞争。

内核层面结束负载平衡。 安全层面,监听团结个端口的套接字只可位于团结个用户底下。

其中枢的结束主要有三点:

膨胀socket option,加多

SO_REUSEPORT选项,用来建立 reuseport。

修改 bind 系统调用结束,以便支持不错绑定到疏导的 IP 和端口。 修改处理新建贯串的结束,查找 listener 的工夫,好像支持在监听疏导 IP 和端口的多个 sock 之间平衡聘任 带来道理 CPU之间平衡处理,水平膨胀,模子浅易,爱护便捷了,进度的管制和应用逻辑解耦,进度的管制水平膨胀权限下放给步伐员/管制员,不错把柄执行进行抑制进度启动/关闭,加多了纯真性。这带来了一个较为微观的水平膨胀思绪,线程些许是否合适,景况是否存在分享,裁汰单个进度的资源依赖,针对无景况的工作器架构最为稳健。 针对对客户端而言,名义上感受不到其变动,因为这些使命实足在工作器端进行。 工作器无缝重启/切换,热更新,提供新的可能性。咱们迭代了一版块,需要部署到线上,为之启动一个新的进度后,稍后关闭旧版块进度步伐,工作一直在运行中络续交,需要平衡过度。这就像Erlang说话层面所提供的热更新相通。 SO_REUSEPORT已知问题 SO_REUSEPORT分为两种时势,即热备份时势和负载平衡时势,在早期的内核版块中,即就是加入对reuseport选项的支持,也只是为热备份时势,而在3.9内核之后,则一齐改为了负载平衡时势,两种时势莫得共存,天然我一直都但愿它们不错共存。 SO_REUSEPORT把柄数据包的四元组{src ip, src port, dst ip, dst port}和面前绑定团结个端口的工作器套接字数目进行数据包分发。若工作器套接字数目产生变化,内核会把本该上一个工作器套接字所处理的客户端贯串所发送的数据包(比如三次握手时间的半贯串,以及依然完成握手但在队伍中列队的贯串)分发到其它的工作器套接字上头,可能会导致客户端央求失败。

怎样防患以上已知问题,一般惩办思绪:

1.使用固定的工作器套接字数目,不要在负载艰辛时间草率变化。

2.允好多个工作器套接字分享TCP央求表(Tcp request table)。

3.不使用四元组算作Hash值进行聘任土产货套接字处理,比如聘任 会话ID或者进度ID,挑选从属于团结个CPU的套接字。

4. 使用一致性hash算法。

与其他特色关系 1. SO_REUSEADDR:主如果地址复用

1.1 让处于time_wait景况的socket不错快速复用原ip+port

1.2 使得0.0.0.0(ipv4通配符地址)与其他地址(127.0.0.1和10.0.0.x)不纵情

1.3 SO_REUSEADDR 的转折在于,莫得安全端正,而且无法保证整个贯串均匀分派。

2.与RFS/RPS/XPS-mq相助,不错获取进一步的性能

2.1.工作器线程绑定到CPUs

2.2.RPS分发TCP SYN包到对应CPU核上

2.3.TCP贯串被已绑定到CPU上的线程accept()

2.4. XPS-mq(Transmit Packet Steering for multiqueue),传输队伍和CPU绑定,发送 数据

2.5. RFS/RPS保证团结个贯串后续数据包都会被分发到团结个CPU上,网卡袭取队伍 依然绑定到CPU,则RFS/RPS则无须建立,需要细心硬件支持与否,主义是数据包的软硬中断、袭取、处理等在一个CPU核上,并行化处理,尽可能做到资源诳骗最大化。

SO_REUSEPORT的演进 3.9之前内核,好像让多个socket同期绑定实足疏导的ip+port,但不成结束负载平衡,结束是热备。 Linux 3.9之后,好像让多个socket同期绑定实足疏导的ip+port,不错结束负载平衡。 Linux4.5版块后,内核引入了reuseport groups,它将绑定到团结个IP和Port,况且建立了SO_REUSEPORT选项的socket组织到一个group里面。主义是加速socket查询。 回来

Linux积聚堆栈所存在问题

TCP处理&多核 一个完满的TCP贯串,中断发生在一个CPU核上,但应用数据处理可能会在另外一个核上 不同CPU中枢处理,带来了锁竞争和CPU Cache Miss(波动扞拒衡) 多个进度监听一个TCP套接字,分享一个listen queue队伍 用于贯串管制全局哈希表格,存在资源竞争 epoll IO模子多进度的惊群风物 Linux VFS的同步损耗严重 Socket被VFS管制 VFS对文献节点Inode和目次Dentry有同步需求 SOCKET只需要在内存中存在即可,非严格道理上文献系统,不需要Inode和Dentry 代码层面略过不必须的旧例锁,但又保持了敷裕的兼容性

RSS、RPS、RFS 和 aRFS,这些机制是在 Linux 3.0 之前引入的,SO_REUSEPORT选项在Linux 3.9被引入内核,因此大多数刊行版依然包含并启用了它们。深刻了解它们,以便为咱们的工作器系统找到最好性能配置。

性能优化朦胧限,咱们下期再持续分享!

膨胀与参考

https://garycplin.blogspot.com/2017/06/linux-network-scaling-receives-packets.html?m=1

https://jamal-jiang.github.io/2017/02/03/TCP-SO-REUSEPORT/

 

http://www.blogjava.net/yongboy/archive/2015/02/05/422760.html

 



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