网络报文中断处理的演进

一、CPU与外设的速度差异引入中断机制
早期计算机系统中，CPU的处理速度显著快于外设（如网卡）的响应速度。例如，CPU可以在纳秒级完成指令，而网卡接收数据包、磁盘读写等操作可能需要毫秒级时间。若采用轮询（Polling）方式，CPU需不断主动检查外设状态，导致大量时间浪费在等待外设上，资源利用率极低。中断机制的引入解决了这一问题：
• 异步通知：外设在数据就绪后主动发送中断信号，CPU仅在需要时处理数据，避免空转等待。
• 抢占式调度：中断可抢占当前任务，确保实时性高的外设操作优先处理。
二、中断分层的演进：硬中断与软中断的协作
随着网络流量增长，单纯依赖硬件中断（硬中断）在高负载场景下暴露了性能瓶颈：

1. 硬中断的局限性：
   • 硬中断处理程序需快速执行，因为期间会屏蔽其他中断。若在此阶段完成所有数据处理，会导致中断延迟增加，甚至丢失新中断。
   • 例如，网卡每接收一个数据包就触发一次硬中断，高流量下可能导致CPU频繁陷入中断上下文，吞吐量下降。
2. 软中断的引入：
   Linux通过软中断（SoftIRQ）将耗时的数据处理从硬中断中剥离，形成“上半部（Top Half）”和“下半部（Bottom Half）”的协作模式：
   • 上半部：硬中断仅完成关键操作（如将数据包存入队列），立即退出并重新启用中断。
   • 下半部：通过ksoftirqd内核线程异步处理队列中的数据包（如协议解析、向上层传递），避免长时间禁用中断。

这种分层设计平衡了实时性与吞吐量，成为Linux网络栈的核心优化策略。