10.05.2021 16:52
LordDominator 10 6800 Источник

Привет, Хабр!

Поговорим о драйверах сетевых устройств Linux, механизме NAPI и его изменениях в ядре 5.12.

Сетевая подсистема Linux (рисунок) построена по примеру стека BSD, в ней прием и передача данных на транспортном и сетевом уровнях происходит с помощью интерфейса сокетов. В отличие от unix-сокетов для межпроцессного взаимодействия, TCP/IP сокеты используют для работы сетевой протокол и при создании (sys_socket) принимают параметры домен, тип, локальные и удаленные IP-адрес и порт. Буфер сокета (sk_buff) - фактически, пакет. Связный список экземпляров таких структур составляет очередь сетевого интерфейса (tx_queue, rx_queue).

Упрощенно – некоторые важные поля sk_buff:

struct sk_buff {
	union {
		struct {
		    /* Двусвязный список */
			struct sk_buff		*next;
			struct sk_buff		*prev;
			
			struct net_device	*dev;
		};
		struct list_head	list;
	};

	struct sock		*sk;

	unsigned int		len,
				data_len;
	__u16			mac_len,
				hdr_len;

/* Часть NAPI-интерфейса */
#if defined(CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL) || defined(CONFIG_XPS)
	union {
		unsigned int	napi_id;
		unsigned int	sender_cpu;
	};
#endif

	__u8		inner_ipproto;
	__u16			inner_transport_header;
	__u16			inner_network_header;
	__u16			inner_mac_header;

	__be16			protocol;
	__u16			transport_header;
	__u16			network_header;
	__u16			mac_header;

	sk_buff_data_t		tail;
	sk_buff_data_t		end;
	unsigned char		*head,
				*data;
	unsigned int		truesize;

};

Драйвера отвечают за реализацию канального уровня (разрешение MAC-адресов) и предоставление интерфейса между системными вызовами ядра и сетевой картой. Обработка входящих и исходящих пакетов происходят с помощью функций xmit и rx, от одновременного доступа они защищены спин блокировками, как и обновление статистики stats и изменение параметров передачи. Сам интерфейс определяется структурой net_device, для создания и регистрации вызываются функции alloc_netdev и register_netdev.

Важные поля net_device:

struct net_device {
	char			name[IFNAMSIZ];    // Строка в стиле printf

	unsigned long		mem_end;
	unsigned long		mem_start;
	unsigned long		base_addr;

	unsigned long		state;

	struct list_head	dev_list;
	struct list_head	napi_list;

	unsigned int		flags;
	unsigned int		priv_flags;
	const struct net_device_ops *netdev_ops;
	unsigned short		hard_header_len;

	unsigned int		mtu;

	struct net_device_stats	stats; 

	atomic_long_t		rx_dropped;
	atomic_long_t		tx_dropped;
	atomic_long_t		rx_nohandler;

	const struct ethtool_ops *ethtool_ops;

	const struct header_ops *header_ops;

	unsigned char		if_port;
	unsigned char		dma;

	/* Interface address info. */
	unsigned char		perm_addr[MAX_ADDR_LEN];

	unsigned short          dev_id;
	unsigned short          dev_port;

	spinlock_t		addr_list_lock;
	int			irq;
	
	unsigned char		*dev_addr;

	struct netdev_rx_queue	*_rx;
	unsigned int		num_rx_queues;

	struct netdev_queue	*_tx ____cacheline_aligned_in_smp;
	unsigned int		num_tx_queues;

	struct timer_list	watchdog_timer;
	int			watchdog_timeo;
};

Сетевой драйвер похож на блочный: передает и получает данные по запросу, но блочные драйверы отвечают только на запросы ядра, а сетевые получают пакеты асинхронно извне. Долгое время в Linux, когда сетевое устройство “просило” поместить входящие пакеты в ядро, действовал механизм обработки аппаратных прерываний.

Схематичные действия в обработчике прерываний для очистки очереди входящих пакетов: (драйвер intel Ethernet e1000):

static bool e1000_clean_rx_irq(struct e1000_adapter *adapter,  // Сетевое устройство
			       struct e1000_rx_ring *rx_ring, // Очередь входящих пакетов
			       int *work_done, int work_to_do)
{
	while (rx_desc->status & E1000_RXD_STAT_DD) {
		struct sk_buff *skb;
		u8 *data;
		u8 status;

        if (netdev->features & NETIF_F_RXALL) {
		    total_rx_bytes += (length - 4); 
		    total_rx_packets++;

		    e1000_receive_skb(adapter, status, rx_desc->special, skb);
		} 
    }

	if (cleaned_count)    // Создание нового буфера
		adapter->alloc_rx_buf(adapter, rx_ring, cleaned_count);
		
    // Обновление статистики
	adapter->total_rx_packets += total_rx_packets;
	adapter->total_rx_bytes += total_rx_bytes;
	netdev->stats.rx_bytes += total_rx_bytes;
	netdev->stats.rx_packets += total_rx_packets;
	return cleaned;
}

До ядер версии 2.3 после самого обработчика прерывания (top half) для выполнения основных задач использовались нижние половины (bottom half) и очереди задач (task queue). Начиная с версии 2.3 на замену интерфейсу BH пришли отложенные прерывания (softirq), тасклеты (tasklet) и очереди отложенных действий (work queue). Преимущество softirq в том, что они могут одновременно выполняться на разных процессорах. Они напрямую используются в сетевой подсистеме.

Немного о NAPI

Пока сетевой трафик был умеренным, механизм прерываний при получении пакета эффективно справлялся со своей задачей. С ростом трафика и появлением высоконагруженных систем постоянная обработка прерываний стала приводить к нехватке процессорного времени для пользовательских программ и потере пакетов. Решение проблемы было предложено в 2001 году и появилось в виде интерфейса New API в ядрах серии 2.4. (В оригинальной статье – результаты тестирования для SMP-системы, генератор трафика наподобие pktgen).

Основная цель NAPI - сократить количество прерываний, генерируемых при получении пакетов. В NAPI механизм прерываний сочетается с механизмом опроса. Чаще всего в разработке избегают использования поллинга, так как могут тратиться лишние ресурсы, когда оборудование молчит. У выоконагруженных интерфейсов такой проблемы не возникает.

В NAPI-совместимых драйверах прерывания отключаются, когда на интерфейс приходит пакет. Обработчик в этом случае только вызывает rx_schedule, гарантирующий, что обработка пакетов произойдет в дальнейшем. Когда приходящие пакеты заполняют буфер (предельное количество – budget), для обработки вызывается метод dev->poll. Метод poll будет вызываться одновременно не более, чем на одном процессоре, что упрощает синхронизацию. Если нагрузка падает, снова разрешаются прерывания. Это позволяет динамически регулировать производительность в зависимости от нагрузки интерфейса. Метод poll может использоваться также и для передачи пакетов.

Пример poll из драйвера e1000:

static void e1000_netpoll(struct net_device *netdev)
{
	struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);

	if (disable_hardirq(adapter->pdev->irq))
		e1000_intr(adapter->pdev->irq, netdev);
	enable_irq(adapter->pdev->irq);
}

При реализации NAPI-совместимого драйвера должны быть выполнены некоторые требования:

  • Возможность хранения входящих пакетов в кольце DMA или буфере в самой карте

  • Возможность отключить прерывания

  • В методе poll должна быть реализована возможность забрать несколько пакетов за раз

  • Так как метод poll работает в контексте softirq и управляется демоном ksoftirqd, в системах с высокой загрузкой нужно менять приоритет поллинга для обеспечения баланса ресурсов между обработчиком прерываний и пользовательскими программами.

Недостатки NAPI:

  • В некоторых случаях в системе могуть быть задержки, если весь обработчик прерываний помещен в dev->poll

  • Маскировка прерываний может быть медленной

  • Возможно состояние IRQ-гонки, если пакет приходит во время проверки бита наличия новых пакетов и включения прерываний.

Что нового у NAPI в 5.12?

В серии патчей в ядре 5.12 метод poll из softirq контекста перенесен в поток ядра.

Wei Wang в комментарии к патчу рассказывает, что причина такого решения – отсутствие возможности отследить программные прерывания в системе. Планировщик не может измерить время, затрачиваемое на обработку softirq. Поток ядра же видим для планировщика задач CPU, это позволит избежать перегрузки процессора, на котором он работает, и сделать планирование userspace-процессов более детерминированным. Его проще контролировать системному администратору. Kthread можно связать с определенной группой CPU, чтобы явно отделить пользовательские потоки от процессоров, опрашивающих сетевые интерфейсы.

Изменения затронули в основном net/core/dev.c. Обновлен метод __napi_poll, вызываемый из контекста napi_poll. Появился новый sysfs атрибут в net_device для включения/выключения поточного режима опроса для всех экземпляров napi данного сетевого устройства без необходимости вызова up/down.

В napi_struct добавлено поле threaded для реализации опроса внутри потока, причем для включения поддержки потоков после создания kthread нужно вызвать napi_set_threaded (флаг NAPI_STATE_THREADED).

Обновленная структура napi_struct:

struct napi_struct {
        struct list_head        dev_list;
        struct hlist_node       napi_hash_node;
        unsigned int            napi_id;
        struct task_struct      *thread;
 };

Создание потока ядра:

static int napi_kthread_create(struct napi_struct *n)
{       int err = 0;

       /* Create and wake up the kthread once to put it in
        * TASK_INTERRUPTIBLE mode to avoid the blocked task
        * warning and work with loadavg.
        */
       n->thread = kthread_run(napi_threaded_poll, n, "napi/%s-%d",
                               n->dev->name, n->napi_id);
       if (IS_ERR(n->thread)) {
               err = PTR_ERR(n->thread);
               pr_err("kthread_run failed with err %d\n", err);
               n->thread = NULL;
       }

       return err;
}

В связи с добавлением поточности появился новый метод napi_thread_wait.

Wei Wang получил следующие результаты сравнения эффективности softirq, kthread и очередей отложенных действий:

Основные источники - LDD3 и статьи:

NAPI polling in kernel threads
Threadable NAPI polling, softirqs, and proper fixes
Reworking NAPI
Driver porting: Network drivers

Заранее спасибо за уточнения и указания на ошибки!