CN107257329A - 一种数据分段卸载发送方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数据分段卸载发送方法。本方法是一种软硬件协同的、分组I/O开销低、硬件实现复杂度低的大块数据分段卸载发送方法。将一部分硬件的功能卸载到软件实现，即采用驱动切分大报文及更新报文头字段，省去了硬件分段计算处理开销，大大降低硬件设计复杂度；另外，本发明支持低开销分组I/O，大大降低软硬件协同代价，同时相较于支持轻量级分组I/O的网卡，省去了分段报文到专用软件缓冲区的一次拷贝，仅将切分后内容更新的报文头部分拷贝到软件缓冲区，大大提高性能，实现了数据分段卸载的高效发送。

Description

一种数据分段卸载发送方法
技术领域
本发明主要涉及到多核网络分组处理中，支持大块数据高效发送的软硬件方法设计领域，特指在多核网络分组处理中的一种软硬件协同的、分组I/O开销低、硬件实现复杂度低的大块数据分段卸载发送方法。
背景技术
随着新型网络业务、协议的发展，越来越多的网络设备聚合存储资源，为全系统提供安全快速的存储服务能力。主机系统和存储设备之间数据的封装和快速可靠传输，为存储资源的按需调度和共享共用提供有力支撑。具备高可编程性的通用多核处理器是网络设备中广泛采用的数据平面处理核心器件。然而，传统网卡最大只能支持最大分段长度MSS（Max Segment Size，一般为MTU-IP头-TCP头）大小的数据传输，当请求大量数据时，TCP发送方必须将大块数据拆分成MSS大小的数据块，然后进一步封装为数据包形式，以便最终可以在网络中进行传输。由于多核处理器需要对每个分段进行处理，降低了其处理效率。
已有研究TSO技术，支持大报文的直接发送，TCP发送方CPU直接将大块数据（最大支持64KB大小）交给网络设备处理，通过网络设备进行TCP段的分割，将大部分CPU的处理工作转移到网卡来处理，即报文的切分与校验全部交给硬件实现，从而减少CPU必须处理的数据包数量，达到提高网络处理性能的技术。支持TSO技术的网卡，需要支持TSO和分散-聚集SG（Scatter-Gather）技术，以及TCP校验和计算功能，由网卡驱动或网卡硬件完成报文分段和TCP校验和计算功能，因而TSO技术需要网络设备驱动或者网络设备提供报文分段功能，对于网络设备的要求较高，软硬复杂度高。另外，基于TSO技术的网络分组深度处理需要软硬件的协同工作，在软硬件协同分组处理流中，软硬件的通信开销过大会严重影响系统进行分组深度处理的性能。另外一种更为通用的分段技术GSO（General Segment Offload），该技术将分段的时机推迟到将数据报文提交给网络设备驱动之前完成，并且支持TCPv4之外的其它协议类型，如TCPv6、UDP和DCCP等。同样的，该技术需要网络设备支持GSO和SG功能。且该技术在性能上的提升效果较TSO技术低。SG是一种与非连续物理地址传输的块DMA方式相对应的DMA方式。它通过一个链表描述物理不连续的内存地址，然后把链表首地址告诉DMA控制器。DMA 控制器传输完一块物理连续的数据后，不发中断，根据链表记录内容传输下一块物理不连续的数据，最后再发起一次中断。
另外，为了降低分组I/O带来的软硬件通信开销等，已有研究提出了轻量级的分组I/O技术，这种低开销的分组处理通信机制，通过缓冲区管理卸载技术、标化DMA访存等软硬件协同技术，实现分组的零拷贝、无中断的下发，从而降低分组在软硬间的通信开销。然而轻量级的分组I/O技术，所有的报文在发送给网络设备之前，都要拷贝到硬件管理的固定缓冲区中，带来额外的内存拷贝代价，影响大报文的发送性能。
综上所述，需针对网络应用中高效的数据发送需求，提供一种支持大块数据高效发送、分组I/O开销低、网络设备硬件实现复杂度低的软硬件协同的大块数据分段卸载发送方法，从而配合多核处理器以满足应用需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种软硬件协同的、分组I/O开销低、硬件实现复杂度低的大块数据分段卸载发送方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种数据分段卸载发送方法，包括以下步骤：
步骤401：获取SKB（socket buffer是linux网络代码中最根本的数据结构，收发数据包都是通过SKB）线性缓冲区和页缓冲区数目，解析报文头，对于TCP报文，确认报文分段数目，以及是否需要进行报文分片（报文长度大于1514字节）；
步骤402：对于需要分片的报文，根据需要分片的数目，将报文头拷贝至多个专用软件缓冲区，完成每个分片报文头内容的更新，无需分片则跳过此步骤；
步骤403：根据报文分段，为每个分段完成DMA映射；
步骤404：为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取一个发送描述符，填充相关字段，构造描述符链表。在获取描述符时需获得锁，确保不会有多个进程获得同一个描述符；
步骤405：将SKB缓存到SKB缓冲区环，并更新发送描述符缓冲区环的write_p指针；
步骤406：构造一个发送描述符控制块，通知硬件有新的报文需要发送；
步骤407：硬件根据发送描述符控制块的内容DMA读发送描述符链，获取所有分片中每个报文分段所在位置；
步骤408：根据描述符中指示报文分段地址，DMA读取所有分片的每个分段报文内容。将属于同一个分片的多个报文分段拼装成一个分片报文；
步骤409：网卡硬件计算TCP校验和和CRC，完成报文发送后，向发送描述符进行回写，通知软件报文发送完成；
步骤410：驱动处理中断或软中断，检查发送描述符的回写状态，若发送完成则将SKB从SKB缓冲区环出队，完成SKB的释放，并更新发送描述符缓冲区环的read_p指针。
作为本发明的进一步改进：
所述步骤404中，为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取的发送描述符所构造描述符链表，以支持链式DMA，允许碎片化的存储中的数据一次DMA完成，描述符链表中的每个发送描述符，都包含了64位存储地址信息，长度信息等。
所述步骤406中，构造的描述符控制块，描述的信息为描述符链表存储的地址及长度信息，描述符控制块由驱动构造好之后，以写寄存器的方式通知网卡硬件，以实现将整个描述符链表读取到硬件的功能。
本发明所提供的一种数据分段卸载发送方法，由于将一部分硬件的功能卸载到软件实现，即采用驱动切分大报文及更新报文头字段，省去了硬件分段计算处理开销，大大降低硬件设计复杂度；另外，本发明支持低开销分组I/O，大大降低软硬件协同代价，同时相较于支持轻量级分组I/O的网卡，省去了分段报文到专用软件缓冲区的一次拷贝，仅将切分后内容更新的报文头部分拷贝到软件缓冲区，大大提高性能，实现了数据分段卸载的高效发送。
附图说明
图1是报文发送软硬件流程及开销分析图；
图2是驱动拆分大报文前后大报文在内存中的存储方式示意图；
图3是数据分段卸载方法中驱动分段原理图；
图4是数据分段卸载发送方法示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为报文发送软硬件流程及开销分析图。其中(a)为标准网卡不支持大报文发送的流程图，构造报文时SKB指向的报文长度最大仅为1514字节。(b)为标准网卡支持大报文发送TSO机制流程图，大报文发送到网卡硬件才进行报文的分段。(c)为支持轻量级分组I/O的网卡实现大报文发送的流程图，大报文发送到网卡驱动软件处理后，完成报文的分段，并同时拷贝到指定的软件缓冲区中。(d)为本专利提出的数据分段卸载发送方法的流程图，大报文发送到网卡驱动软件处理后，完成报文的分段，省去了报文拷贝到指定软件缓冲区中的开销。
为对报文发送开销进行分析，作出如下定义：
系统调用处理开销，每1.5K大小报文处理开销设为Na；
协议栈处理开销，每1.5K大小报文处理开销设为Ns；协议栈处理1.5K报文和64K报文，其处理开销相等，为Ns；
网卡驱动处理开销，每1.5K大小报文处理开销设为N D ；
不拷贝的情况下，网卡驱动处理1.5K报文和64K报文，其处理开销相等，均为N D ；
网卡报文拷贝开销，每1.5K大小报文处理开销设为Nc；
网卡硬件DMA报文处理开销，每发送一个报文需DMA报文处理开销设为N DMA-R ；
标准网卡硬件分段报文处理开销，每段1.5K报文处理开销设为N HF ；
轻量级分组I/O驱动分段报文处理开销，每段1.5K报文处理开销设为N DF ；
SKB指向应用需要传输的数据及其报文头内容，使用线性缓冲区存放报文内容，网卡硬件根据描述符指示地址获取报文内容将报文发送。
标准网卡普通发送n个1.5K报文发送路径报文处理开销约表示为n*Na+n*N S +n*N D + n*N DMA-R
标准网卡支持TSO发送n*1.5K报文发送路径报文处理开销约表示为（n2<n）
n*Na+N S +N D +n*N DMA +n*N HF
支持轻量级分组I/O的网卡发送n*1.5K报文，需将SKB指向报文内容拷贝至专用软件缓冲区后才能发送出去，发送路径报文处理开销约表示为
n*Na+NS+n*ND+n*Nc+n*NDF+n*NDMA
本专利提出的软硬件协同的大块数据分段卸载发送方法，发送n*1.5K报文发送路径报文处理开销约表示为
n*Na+NS+ND+n*NDF+n*NDMA
可以看出本专利提出的数据分段卸载发送方法，相较于支持TSO的标准网卡，省去了硬件分段计算处理开销，大大降低硬件设计复杂度，相较于支持轻量级分组I/O的网卡，省去了分段报文拷贝到专用软件缓冲区的一次拷贝，大大提高性能。
如图2所示，为驱动拆分大报文前后大报文在内存中的存储方式示意图。
硬件及驱动设置支持物理分散页的分散/聚集功能时，在驱动未拆分大报文之前，大报文数据的存放使用非线性缓冲区，大报文头存放在线性缓冲区，大报文体存部分放在线性缓冲区或者非线性缓冲区，即途中frags队列指向的页存储区域。非线性数据的长度存储在SKB的数据长度域data_len中。如图示，大报文头部存放在报文线性数据缓冲区data-->tail之间，报文的其他数据存放在结构体SKB_shared_info中frags队列指向的页中。frags为一个struct SKB_frag_struct结构体，其中page_offset指向报文数据在页中的偏移量，size表示页中属于该报文的数据长度。线性数据长度+页数据长度，最大支持64KB大报文存放。为了降低硬件分段的处理开销，本专利采用驱动预分段的处理，将大报文在驱动层完成切分，而支持轻量级分组I/O的网卡，所有报文都要拷贝到专用的软件缓冲区再发送，为了降低报文拷贝的代价，本专利采用只拷贝报文头到专用软件缓冲区的方法，即将报文头拷贝至多个专用软件缓冲区，同时完成每个分片报文头内容的更新，将硬件切分报文头，更新报文头内容的工作卸载到软件实现，同时降低了拷贝代价。于是驱动拆分报文后，分段报文的存储方式为，分段报文头存储在专用软件缓冲区中，分段报文体依然存放在线性缓冲区和页缓冲区中。
如图3所示，为数据分段卸载方法中驱动分段原理图。解析报文头，对于TCP报文，确认报文分段数目，以及是否需要进行报文分片。对于需要分片的报文，根据需要分片的数目，将报文头拷贝至多个软件缓冲区。以图3为例，分段后的小报文，第一段的报文头存储在软件缓冲区，第一段的报文体依旧存储在线性缓冲区，第二段的报文头存储在软件缓冲区，第二段的报文体一部分存储在线性缓冲区，其余部分存储在页缓冲区中。为所有的分段报文的头和体，构造一个发送描述符链，硬件根据发送描述符链获取每个报文分段或所有分片的每个报文分段所在位置，并获取每个报文分段或所有分片的每个分段报文内容。将多个报文分段拼装成一个报文或多个分片报文，完成TCP校验和计算和CRC校验和计算后，完成报文发送。
如图4所示，为数据分段卸载发送方法示意图。
步骤401：获取SKB线性缓冲区和页缓冲区数目，解析报文头，对于TCP报文，确认报文分段数目，以及是否需要进行报文分片（SKB->len>1514）；
步骤402：对于需要分片的报文，根据需要分片的数目，将报文头拷贝至多个专用软件缓冲区，完成每个分片报文头内容的更新，无需分片则跳过此步骤；
步骤403：根据报文分段，为每个分段完成DMA映射；
步骤404：为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取一个发送描述符，填充相关字段，构造描述符链表。在获取描述符时需获得锁，确保不会有多个进程获得同一个描述符；
步骤405：将SKB缓存到SKB缓冲区环，并更新发送描述符缓冲区环的write_p指针；
步骤406：构造一个发送描述符控制块，通知硬件有新的报文需要发送；
步骤407：硬件根据发送描述符控制块的内容DMA读发送描述符链，获取所有分片中每个报文分段所在位置；
步骤408：根据描述符中指示报文分段地址，DMA读取所有分片的每个分段报文内容。将属于同一个分片的多个报文分段拼装成一个分片报文；
步骤409：网卡硬件计算TCP校验和和CRC，完成报文发送后，向发送描述符进行回写，通知软件报文发送完成；
步骤410：驱动处理中断或软中断，检查发送描述符的回写状态，若发送完成则将SKB从SKB缓冲区环出队，完成SKB的释放，并更新发送描述符缓冲区环的read_p指针。
所述步骤404中，为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取的发送描述符所构造描述符链表，以支持链式DMA，允许碎片化的存储中的数据一次DMA完成，描述符链表中的每个发送描述符，都包含了64位存储地址信息，长度信息等。
所述步骤406中，构造的描述符控制块，描述的信息为描述符链表存储的地址及长度信息，描述符控制块由驱动构造好之后，以写寄存器的方式通知网卡硬件，以实现将整个描述符链表读取到硬件的功能。

Claims (3)

1.一种数据分段卸载发送方法，将一部分硬件的功能卸载到软件实现，即采用驱动切分大报文及更新报文头字段，省去了硬件分段计算处理开销，降低硬件设计复杂度，其特征在于，包括以下步骤：
步骤401：获取SKB，socket buffer是linux网络代码中的数据结构，线性缓冲区和页缓冲区数目，解析报文头，对于TCP报文，确认报文分段数目，以及是否需要进行报文分片，报文长度大于1514字节；
步骤402：对于需要分片的报文，根据需要分片的数目，将报文头拷贝至多个专用软件缓冲区，完成每个分片报文头内容的更新，无需分片则跳过此步骤；
步骤403：根据报文分段，为每个分段完成DMA映射；
步骤404：为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取一个发送描述符，填充相关字段，构造描述符链表，在获取描述符时需获得锁，确保不会有多个进程获得同一个描述符；
步骤405：将SKB缓存到SKB缓冲区环，并更新发送描述符缓冲区环的write_p指针；
步骤406：构造一个发送描述符控制块，通知硬件有新的报文需要发送；
步骤407：硬件根据发送描述符控制块的内容DMA读发送描述符链，获取所有分片中每个报文分段所在位置；
步骤408：根据描述符中指示报文分段地址，DMA读取所有分片的每个分段报文内容，将属于同一个分片的多个报文分段拼装成一个分片报文；
步骤409：网卡硬件计算TCP校验和和CRC，完成报文发送后，向发送描述符进行回写，通知软件报文发送完成；
步骤410：驱动处理中断或软中断，检查发送描述符的回写状态，若发送完成则将SKB从SKB缓冲区环出队，完成SKB的释放，并更新发送描述符缓冲区环的read_p指针。
2.根据权利要求1所述的一种数据分段卸载发送方法，其特征在于，作为本发明的进一步改进：
所述步骤404中，为每个分片的每个报文分段，包括专用缓冲区、线性缓冲区、页缓冲区分别获取的发送描述符所构造描述符链表，以支持链式DMA，允许碎片化的存储中的数据一次DMA完成，描述符链表中的每个发送描述符，都包含了64位存储地址信息，长度信息。
3.根据权利要求1所述的一种数据分段卸载发送方法，其特征在于，作为本发明的进一步改进：
所述步骤406中，构造的描述符控制块，描述的信息为描述符链表存储的地址及长度信息，描述符控制块以写寄存器的方式通知网卡硬件，以实现将整个描述符链表读取到硬件的功能。
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