【1024程序员节献礼】鲲鹏性能优化十板斧（三）——网络子系统性能调优<TaiShan特战队出品>
特战队六月底成立，至今百日有余，恰逢1024程序员节，遂整理此文，献礼致敬！希望能为广大在鲲鹏处理器上开发软件、性能调优的程序员们，提供一点帮助。从今天开始，将陆续推出性能调优专题文章。
1 网络子系统性能调优
1.1 调优简介
调优思路
本章主要是围绕优化网卡性能和利用网卡的能力分担CPU的压力来提升性能。在高并发的业务场景下，推荐使用两块网卡，减少跨片内存访问的次数。即将两块网卡分别绑定在服务器的不同CPU上，每个CPU只处理对应的网卡数据。高并发场景还可以为网卡选择x16的PCIE卡。
高并发场景是指：在同时或极短时间内，有大量的请求到达服务端，每个请求都需要服务端耗费资源进行处理，并做出相应的反馈。
主要优化参数
优化项 | 优化项简介 | 默认值 | 生效范围 | 鲲鹏916 | 鲲鹏920 |
调整TLP（Transaction Layer Packet）的最大有效负载 | 调整PCIE总线每次数据传输的最大值 | 128B | 重启生效 | Y | Y |
设置网卡队列数 | 调整网卡队列数量 | 不同操作系统和网卡不同 | 立即生效 | Y | Y |
将每个网卡中断分别绑定到距离最近的核上 | 减少跨NUMA访问内存 | Irqbalance | 立即生效 | Y | Y |
聚合中断 | 调整合适的参数以减少中断处理次数 | 不同操作系统和网卡不同 | 立即生效 | Y | Y |
开启TCP分段Offload（卸载） | 将TCP的分片处理交给网卡处理 | 关闭 | 立即生效 | Y | Y |
1.2 常用性能监测工具
1.2.1 ethtool工具
介绍
ethtool是一个 Linux 下功能强大的网络管理工具，目前几乎所有的网卡驱动程序都有对 ethtool 的支持，可以用于网卡状态/驱动版本信息查询、收发数据信息查询及能力配置以及网卡工作模式/链路速度等查询配置。
安装方式
以CentOS为例，使用如下命令安装：
# yum -y install ethtool net-tools
使用方式
命令格式：ethtool [参数]
常用参数如下：
ethX | 查询ethx网口基本设置，其中x是对应网卡的编号，如eth0、eth1等。 |
-k | 查询网卡的Offload信息。 |
-K | 修改网卡的Offload信息。 |
-c | 查询网卡聚合信息。 |
-C | 修改网卡聚合信息。 |
-l | 查看网卡队列数。 |
-L | 设置网卡队列数。 |
输出格式：
# ethtool –k eth0
Features for eth0:
rx-checksumming: on
tx-checksumming: on
scatter-gather: on
tcp-segmentation-offload: on
# ethtool -l eth0
Channel parameters for eth0:
Pre-set maximums:
…
Current hardware settings:
…
Combined: 8
# ethtool -c eth0
Coalesce parameters for eth0:
Adaptive RX: off TX: off
…
rx-usecs：30
rx-frames：50
…
tx-usecs：30
tx-frames：1
参数含义如下：
参数 | 说明 |
rx-checksumming | 接收包校验和。 |
tx-checksumming | 发送包校验和。 |
scatter-gather | 分散-聚集功能，是网卡支持TSO的必要条件之一。 |
tcp-segmentation-offload | 简称为TSO，利用网卡对TCP数据包分片。 |
Combined | 网卡队列数。 |
adaptive-rx | 接收队列的动态聚合执行开关。 |
adaptive-tx | 发送队列的动态聚合执行开关。 |
tx-usecs | 产生一个中断之前至少有一个数据包被发送之后的微秒数。 |
tx-frames | 产生中断之前发送的数据包数量。 |
rx-usecs | 产生一个中断之前至少有一个数据包被接收之后的微秒数。 |
rx-frames | 产生中断之前接收的数据包数量。 |
1.2.2 strace工具
介绍
strace是Linux环境下的程序调试工具，用来跟踪应用程序的系统调用情况。strace命令执行的结果就是按照调用顺序打印出所有的系统调用，包括函数名、参数列表以及返回值等。
安装方式
以CentOS为例，使用如下命令安装：
# yum -y install strace
使用方式
命令格式：strace [参数]
常用参数如下：
-T | 显示每一调用所耗的时间。 |
-tt | 在输出中的每一行前加上时间信息，微秒级。 |
-p | 跟踪指定的线程ID。 |
输出格式：
18:25:47.902439 epoll_pwait(716, [{EPOLLIN, {u32=1052576880, u64=281463144385648}}, {EPOLLIN, {u32=1052693569, u64=281463144502337}}, {EPOLLOUT, {u32=1052638657, u64=281463144447425}}, {EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLRDHUP, {u32=1052673241, u64=281463144482009}}, {EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLERR|EPOLLHUP|EPOLLRDHUP, {u32=1052636016, u64=281463144444784}}], 512, 1, NULL, 8) = 5 <0.000038>
参数含义如下：
参数 | 说明 |
18:25:47.902439 | 为系统调用发生的时间。 |
epoll_pwait | 为系统调用的函数名。 |
（716…） | 括号内的值为函数参数。 |
=5 | 为系统调用的返回值。 |
<0.000038> | 为系统调用的执行时间。 |
1.3 优化方法
1.3.1 PCIE Max Payload Size大小配置
原理
网卡自带的内存和CPU使用的内存进行数据传递时，是通过PCIE总线进行数据搬运的。Max Payload Size为每次传输数据的最大单位（以字节为单位），它的大小与PCIE链路的传送效率成正比，该参数越大，PCIE链路带宽的利用率越高。
Transaction Layer Packet | ||
Header | Data Payload | ECRC |
修改方式
按照B 进入BIOS界面的步骤进入BIOS，选择“Advanced > Max Payload Size”，将“Max Payload Size”的值设置为“512B”。
1.3.2 网络NUMA绑核
原理
当网卡收到大量请求时，会产生大量的中断，通知内核有新的数据包，然后内核调用中断处理程序响应，把数据包从网卡拷贝到内存。当网卡只存在一个队列时，同一时间数据包的拷贝只能由某一个core处理，无法发挥多核优势，因此引入了网卡多队列机制，这样同一时间不同core可以分别从不同网卡队列中取数据包。
在网卡开启多队列时，操作系统通过Irqbalance服务来确定网卡队列中的网络数据包交由哪个CPU core处理，但是当处理中断的CPU core和网卡不在一个NUMA时，会触发跨NUMA访问内存。因此，我们可以将处理网卡中断的CPU core设置在网卡所在的NUMA上，从而减少跨NUMA的内存访问所带来的额外开销，提升网络处理性能。
图1-1 自动绑定：中断绑定随机，出现跨NUMA访问内存
图1-2 NUMA绑定：中断绑定到指定核，避免跨NUMA访问内存
修改方式
步骤 1 停止irqbalance。
# systemctl stop irqbalance.service
# systemctl disable irqbalance.service
步骤 2 设置网卡队列个数为CPU的核数。
# ethtool -L ethx combined 48
步骤 3 查询中断号。
# cat /proc/interrupts | grep $eth | awk -F ':' '{print $1}'
步骤 4 根据中断号，将每个中断分别绑定在一个核上，其中cpuMask是16进制的数，最右边的bit表示core0。
# echo $cpuMask > /proc/irq/$irq/smp_affinity_list
----结束
1.3.3 中断聚合参数调整
原理
中断聚合特性允许网卡收到报文之后不立即产生中断，而是等待一小段时间有更多的报文到达之后再产生中断，这样就能让CPU一次中断处理多个报文，减少开销。
修改方式
使用ethtool -C $eth方法调整中断聚合参数。其中参数“$eth”为待调整配置的网卡设备名称，如eth0，eth1等。
# ethtool -C eth3 adaptive-rx off adaptive-tx off rx-usecs N rx-frames N tx-usecs N tx-frames N
为了确保使用静态值，需禁用自适应调节，关闭Adaptive RX和Adaptive TX。
l rx-usecs：设置接收中断延时的时间。
l tx-usecs：设置发送中断延时的时间。
l rx-frames：产生中断之前接收的数据包数量。
l tx-frames：产生中断之前发送的数据包数量。
这4个参数设置N的数值越大，中断越少。
增大聚合度，单个数据包的延时会有微秒级别的增加。
1.3.4 开启TSO
原理
当一个系统需要通过网络发送一大段数据时，计算机需要将这段数据拆分为多个长度较短的数据，以便这些数据能够通过网络中所有的网络设备，这个过程被称作分段。TCP分段卸载将TCP的分片运算（如将要发送的1M字节的数据拆分为MTU大小的包）交给网卡处理，无需协议栈参与，从而降低CPU的计算量和中断频率。
修改方式
使用ethtool工具打开网卡和驱动对TSO（TCP Segmentation Offload）的支持。如下命令中的参数“$eth”为待调整配置的网卡设备名称，如eth0，eth1等。
# ethtool -K $eth tso on
要使用TSO功能，物理网卡需同时支持TCP校验计算和分散-聚集 (Scatter Gather) 功能。
查看网卡是否支持TSO：
# ethtool -K $eth
rx-checksumming: on
tx-checksumming: on
scatter-gather: on
tcp-segmentation-offload: on
1.3.5 使用epoll代替select
原理
epoll机制是Linux内核中的一种可扩展IO事件处理机制，可被用于代替POSIX select系统调用，在高并发场景下获得较好的性能提升。
select有如下缺点：
l 内核默认最多支持1024个文件句柄
l select采用轮询的方式扫描文件句柄，性能差
epoll改进后的机制：
l 没有最大并发连接的限制，能打开的文件句柄上限远大于1024，方便在一个线程里面处理更多请求
l 采用事件通知的方式，减少了轮询的开销
修改方式
使用epoll函数代替select，epoll函数有：epoll_create，epoll_ctl和epoll_wait。Linux-2.6.19又引入了可以屏蔽指定信号的epoll_wait: epoll_pwait。
函数简介：
步骤 1 创建一个epoll句柄。
int epoll_create(int size);
其中size表示监听的文件句柄的最大个数。
步骤 2 注册要监听的事件类型。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数说明如下：
l epfd：epoll_create返回的文件句柄。
l op：要进行的操作，有EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD 、EPOLL_CTL_DEL等。
l fd：要操作的文件句柄。
l event：事件描述，常用的事件有：
− EPOLLIN：文件描述符上有可读数据。
− EPOLLOUT：文件描述符上可以写数据。
− EPOLLERR： 表示对应的文件描述符发生错误。
步骤 3 等待事件的产生。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
int epoll_pwait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout,
const sigset_t *sigmask);
参数说明如下：
l epfd：epoll_create返回的文件句柄。
l events：返回待处理事件的数组。
l maxevents：events数组长度。
l timeout：超时时间，单位为毫秒。
l sigmask：屏蔽的信号。
----结束
在网络高并发场景下，select调用可使用epoll进行替换。
使用如下命令确认是否调用epoll函数：
查看某个进程的系统调用信息
# strace -p $TID -T –tt
18:25:47.902439 epoll_pwait(716, [{EPOLLIN, {u32=1052576880, u64=281463144385648}}, {EPOLLIN, {u32=1052693569, u64=281463144502337}}, {EPOLLOUT, {u32=1052638657, u64=281463144447425}}, {EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLRDHUP, {u32=1052673241, u64=281463144482009}}, {EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLERR|EPOLLHUP|EPOLLRDHUP, {u32=1052636016, u64=281463144444784}}], 512, 1, NULL, 8) = 5 <0.000038>
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