X520-T1 Linux内核发包14Mpps

目的

测试并优化Linux内核发包

环境

ga-b250m-d3h I7-7700k, 4核8线程，no_trubo=1即最高4.2GHz X520-T1 ubuntu 18.04, linux-image-4.15.0-XX

netmap

netmap是一种网卡旁路方法，用netmap测试，发包在 14.3Mpps, 单cpu 60%。测试命令

./build-apps/pkt-gen/pkt-gen -i enp3s0 -f tx -c 1 -p 1 -z -d 12.0.0.100:80

Linux多线程发包

在模块中用kthread创建多线程，每个线程构造skb，然后调dev_queue_xmit(skb)。测试发现cpu全部100%，发包大多在12Mpps

		tcp      udp
fq_codel  12.0Mpps/100%   12.8Mpps/100%
pfifo_fast    12.7Mpps/100%   14.0Mpps/100%
noqueue       12.0Mpps/100%   12.8Mpps/100%

猜测可能优化点

qdisc流控
skb的申请、释放

优化qdisc流控

qdisc流控可以简单看作把包存下，然后再发送出去。取消qdisc应该能减少一层消耗。

dev_queue_xmit() -> dev_hard_start_xmit() -> xmit_one() -> netdev_start_xmit() -> __netdev_start_xmit()

将上面的代码copy到模块，就跳过了qdisc。其实noqueue也是这个流程，但为什么noqueue的pps、cpu都没提升呢？

测试发现skb->xmit_more是关键，ixgbe中关于xmit_more的代码：

    if (netif_xmit_stopped(txring_txq(tx_ring)) || !skb->xmit_more) {
            writel(i, tx_ring->tail);

            /* we need this if more than one processor can write to our tail
             * at a time, it synchronizes IO on IA64/Altix systems
             */
            mmiowb();
    }

noqueue中没有设置xmit_more，但fq_codel,pfifo_fast等用到qdisc框架的都会设置xmit_more，qdisc是用skb->next将skb串起来，当skb->next != NULL时在dev_hard_start_xmit就会设置xmit_more=1。

照此优化，在我们的模块中每次申请多个包，将他们用skb->next串起来再发送。优化后发包在14.2Mpps,每个cpu都60%。

优化skb的申请、释放

每秒申请、释放14M的skb有点多。。。

我们可以创建percpu的skb池，申请的时候从池子里拿，释放的时候放回池子。

怎么做到释放时放回池子？用skb->destructor指向我们的回调函数即可
怎么做到不让Linux内核释放skb以及skb->data的空间？增加如下patch重新编译内核，设置skb池子里的skb->fclone = SKB_FCLONE_USER即可。

diff --git a/include/linux/skbuff.h b/include/linux/skbuff.h
index 2742528..cd240a9 100644
--- a/include/linux/skbuff.h
+++ b/include/linux/skbuff.h
@@ -532,6 +532,7 @@ enum {
  SKB_FCLONE_UNAVAILABLE, /* skb has no fclone (from head_cache) */
  SKB_FCLONE_ORIG,    /* orig skb (from fclone_cache) */
  SKB_FCLONE_CLONE,   /* companion fclone skb (from fclone_cache) */
+ SKB_FCLONE_USER,
 };
 
 enum {
diff --git a/net/core/skbuff.c b/net/core/skbuff.c
index cac95aa..b8fb200 100644
--- a/net/core/skbuff.c
+++ b/net/core/skbuff.c
@@ -585,6 +585,8 @@ static void kfree_skbmem(struct sk_buff *skb)
  case SKB_FCLONE_UNAVAILABLE:
      kmem_cache_free(skbuff_head_cache, skb);
      return;
+ case SKB_FCLONE_USER:
+     return;
 
  case SKB_FCLONE_ORIG:
      fclones = container_of(skb, struct sk_buff_fclones, skb1);
@@ -627,7 +629,7 @@ void skb_release_head_state(struct sk_buff *skb)
 static void skb_release_all(struct sk_buff *skb)
 {
  skb_release_head_state(skb);
- if (likely(skb->head))
+ if (likely(skb->head) && skb->fclone != SKB_FCLONE_USER)
      skb_release_data(skb);
 }