【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>

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莱德@汪汪队 发表于 2019/10/27 17:05:06 2019/10/27
【摘要】 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3.1 调优简介3.2 常用性能监测工具3.3 优化方法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...

       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

3.1  调优简介

3.2  常用性能监测工具

3.3  优化方法

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x16PCIE卡。

image.png

           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TLPTransaction 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)

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

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eth0eth1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-usecs30
rx-frames50

tx-usecs30
tx-frames1

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

straceLinux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

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”。

image.png

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

image.png

 

图1-2 NUMA绑定:中断绑定到指定核,避免跨NUMA访问内存

image.png

 

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cpuMask16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eth0eth1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 RXAdaptive 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。

4个参数设置N的数值越大,中断越少。

image.png

                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TSOTCP 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eth0eth1等。

# ethtool -K $eth tso on

image.png

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selectepoll函数有:epoll_createepoll_ctlepoll_waitLinux-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   epfdepoll_create返回的文件句柄。

                                                     l   op:要进行的操作,有EPOLL_CTL_ADDEPOLL_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   epfdepoll_create返回的文件句柄。

                                                     l   events:返回待处理事件的数组。

                                                     l   maxeventsevents数组长度。

                                                     l   timeout:超时时间,单位为毫秒。

                                                     l   sigmask:屏蔽的信号。

                                                     ----结束

image.png

                                                     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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