xps全称是Transmit Packet Steering,是rfs/rps的作者Tom Herbert提交的又一个patch,预计会在2.6.37进入内核。

这个patch主要是针对多队列的网卡发送时的优化,当发送一个数据包的时候,它会根据cpu来选择对应的队列,而这个cpu map可以通过sysctl来设置:

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这里xps_cpus是一个cpu掩码,表示当前队列对应的cpu。

而xps主要就是提高多对列下的数据包发送吞吐量,具体来说就是提高了发送的局部性。按照作者的benchmark,能够提高20%.

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原理很简单,就是根据当前skb对应的hash值(如果当前socket有hash,那么就使用当前socket的)来散列到xps_cpus这个掩码所设置的cpu上,也就是cpu和队列是一个1对1,或者1对多的关系,这样一个队列只可能对应一个cpu,从而提高了传输结构的局部性。

没有xps之前的做法是这样的,当前的cpu根据一个skb的4元组hash来选择队列发送数据,也就是说cpu和队列是一个多对多的关系,而这样自然就会导致传输结构的cache line bouncing。

这里还有一个引起cache line bouncing的原因,不过这段看不太懂:

> Also when sending from one CPU to a queue whose

> transmit interrupt is on a CPU in another cache domain cause more

> cache line bouncing with transmit completion.

接下来来看代码,我这里看得代码是net-next分支,这个分支已经将xps合并进去了。

先来看相关的数据结构,首先是xps_map,这个数据结构保存了对应的cpu掩码对应的发送队列,其中queues队列就保存了发送对列.这里一个xps_map有可能会映射到多个队列。

struct xps_map {

//队列长度

unsigned int len;

unsigned int alloc_len;

struct rcu_head rcu;

//对应的队列序列号数组

u16 queues[0];

};

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而下面这个结构保存了设备的所有的cpu map,比如一个设备 16个队列,然后这里这个设备的xps_dev_maps就会保存这16个队列的xps map(sysctl中设置的xps_map),而每个就是一个xps_map结构。

struct xps_dev_maps {

//rcu锁

struct rcu_head rcu;

//所有对列的cpu map数组

struct xps_map __rcu *cpu_map[0];

};

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然后就是net_device结构增加了一个xps_dev_maps的域来保存这个设备所有的cpu map。

struct net_device {

…………………………..

#ifdef CONFIG_XPS

//保存当前设备的所有xps map.

struct xps_dev_maps __rcu *xps_maps;

#endif

……………………..

}

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我们知道内核发送数据包从ip层到驱动层是通过调用dev_queue_xmit,而在dev_queue_xmit中会调用dev_pick_tx来选择一个队列,这里这个patch就是修改这个函数,我们接下来就来看这个函数。

先来分析下这个函数的主要流程,首先,如果设备只有一个队列,那么就选择这唯一的队列。

if (dev->real_num_tx_queues == 1)

queue_index = 0;

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然后如果设备设置了回调函数ndo_select_queue,则调用ndo_select_queue来选择队列号,这里要注意,当编写驱动时,如果设置了回调函数ndo_select_queue,此时如果需要xps特性,则最好通过get_xps_queue来取得队列号。

else if (ops->ndo_select_queue) {

queue_index = ops->ndo_select_queue(dev, skb);

queue_index = dev_cap_txqueue(dev, queue_index);

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然后进入主要的处理流程,首先从skb从属的sk中取得缓存的队列索引,如果有缓存,则直接返回这个索引,否则开始计算索引,这里就通过调用xps patch最重要的一个函数get_xps_queue来计算queue_index.

static struct netdev_queue *dev_pick_tx(struct net_device *dev,

struct sk_buff *skb)

{

………………………………

else {

struct sock *sk = skb->sk;

queue_index = sk_tx_queue_get(sk);

if (queue_index < 0 || skb->ooo_okay ||

queue_index >= dev->real_num_tx_queues) {

int old_index = queue_index;

//开始计算队列索引

queue_index = get_xps_queue(dev, skb);

if (queue_index < 0)

//调用老的计算方法来计算queue index.

queue_index = skb_tx_hash(dev, skb);

………………………………………………

}

}

//存储队列索引

skb_set_queue_mapping(skb, queue_index);

//返回对应的queue

return netdev_get_tx_queue(dev, queue_index);

}

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接下来我们来看get_xps_queue,这个函数是这个patch的核心,它的流程也很简单,就是通过当前的cpu id获得对应的xps_maps,然后如果当前的cpu和队列是1:1对应则返回对应的队列id,否则计算skb的hash值,根据这个hash来得到在xps_maps 中的queue的位置,从而返回queue id.

static inline int get_xps_queue(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)

{

#ifdef CONFIG_XPS

struct xps_dev_maps *dev_maps;

struct xps_map *map;

int queue_index = -1;

rcu_read_lock();

dev_maps = rcu_dereference(dev->xps_maps);

if (dev_maps) {

//根据cpu id得到当前cpu对应的队列集合

map = rcu_dereference(

dev_maps->cpu_map[raw_smp_processor_id()]);

if (map) {

//如果队列集合长度为1,则说明是1:1对应

if (map->len == 1)

queue_index = map->queues[0];

else {

//否则开始计算hash值,接下来和老的计算hash方法一致。

u32 hash;

//如果sk_hash存在,则取得sk_hash(这个hash,在我们rps和rfs的时候计算过的,也就是四元组的hash值)

if (skb->sk && skb->sk->sk_hash)

hash = skb->sk->sk_hash;

else

//否则开始重新计算

hash = (__force u16) skb->protocol ^

skb->rxhash;

hash = jhash_1word(hash, hashrnd);

//根据hash值来选择对应的队列

queue_index = map->queues[

((u64)hash * map->len) >> 32];

}

if (unlikely(queue_index >= dev->real_num_tx_queues))

queue_index = -1;

}

}

rcu_read_unlock();

return queue_index;

#else

return -1;

#endif

}

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