在计算机的世界中，当网卡接收到数据包时，会产生CPU中断，通知CPU有新的数据包，然后CPU调用中断处理程序响应，把数据包从网卡拷贝到内存并进行处理。本文将从中断分配优化和多网卡队列设置角度分析服务器网卡性能提升。
#01、基础知识
中断本质是一种电信号，由硬件产生，并直接送到中断控制器，然后再由中断控制器向 CPU发送信号。常见的中断控制器有两种：可编程中断控制器（8259A）和高级可编程中断控制器（APIC），8259A只适合单CPU的情况，高级可编程中断控制器（APIC）更能充分发挥多CPU多核的SMP体系（SymmetricMulti-Processor）优势，把中断传递给每个CPU以便更好实现并行和性能提高。同时，Linuxkernel 2.4以后的版本支持通过SMP IRQ Affinity实现把不同硬件中断请求（IRQs）分配到特定的CPU上。
(相关资料图)
SMP IRQ affinity允许系统限制或者重新分配服务器的工作负载, 从而让服务器更有效的工作。以网卡中断为例，在没有设置SMP IRQ affinity时， 所有网卡中断都关联到CPU0, 这导致了CPU0负载过高，而无法有效快速地处理网络数据包，容易产生性能瓶颈。通过SMP IRQ affinity，把网卡多个中断分配到多个CPU上，可以分散CPU压力，提高数据处理速度。
图1 SMP对称多处理器结构
同时，Linux的irqbalance用于优化中断分配，自动收集系统数据以分析使用模式，并依据系统负载状况将工作状态置于Performance Mode或Power-Save Mode。处于Performance Mode时irqbalance会将中断尽可能均匀地分发给各个CPU以充分利用CPU多核，提升性能；处于Power-Save Mode时，irqbalance会将中断集中分配给第一个CPU，以保证其它空闲CPU的睡眠时间，降低能耗。
正常情况下，一张网卡只有一个队列用来接收网络数据包时，同一时间数据包的处理只能由某个单核处理，不仅无法发挥多CPU多核优势，而且大流量带宽下必然造成数据包阻塞。因此，随着技术的发展，引入了网卡多队列机制，一张网卡支持多个队列来接发收数据包，这样同一时间多个队列的数据包可以分散到不同的CPU进行处理。RSS（Receive Side Scaling）是网卡的硬件特性，实现多队列，每个队列对应一个中断号，通过中断绑定实现网卡中断在多CPU多核上的分配。
但是在网络压力较大时，多队列网卡I/O产生的中断访问非常多，此时队列数量会对网卡数据包的处理效率产生较大影响。根据实践经验，当单个PCIe槽位上网卡的队列总数等于该PCIe槽位所连接的CPU物理核数时，网卡I/O中断的处理效率将会最高。例如，单颗CPU的物理核心数为32，每张网卡的端口为2，所以网卡的多队列数应设置为16=32/2。
由于操作系统默认通过irqbalance服务来分派网卡队列中的网络数据包交由哪个CPU core处理，当irqbalance服务分配的处理网卡中断的CPU core不是网卡PCIe槽位所连接的CPU die或CPU时，会触发跨CPU die或CPU的core访问，中断处理效率会比较低。因此，在网卡队列数设置完成后，我们还需要关闭irqbalance服务，将网卡队列中断号绑定到处理网卡中断的CPU core上，从而减少跨CPU die或CPU访问所带来的额外开销，进一步提升网络处理性能。
#02、动手实践
1、判断当前系统环境是否支持多队列网卡。
#lspci -vvv |
如果在Ethernet项中含有MSI-X: Enable+ Count=9 Masked-语句，则说明当前系统环境是支持多队列网卡的，否则不支持。
2、查看网卡是否支持多队列，以及最多支持多少、当前开启多少。
#ethtool -l eth0 ##查看eth0多队列情况 |
3、设置网卡当前使用多队列。
#ethtool -L eth0 combined ##针对 eth0网卡设置多队列，N为要设置的队列数 |
4、确保多队列设置确实已生效，可以查看文件。
# ls /sys/class/net/eth0/queues/ ##确认rx数量等于设定值 rx-0 rx-2 rx-4 rx-6 tx-0 tx-2 tx-4 tx-6rx-1 rx-3 rx-5 rx-7 tx-1 tx-3 tx-5 tx-7 |
5、查看系统给网卡端口分配的中断号。
#cat /proc/interrupts | grep –i eth0 |
6、主动关闭irqbalance进程。
#service irqbalance stop |
7、更新文件，设置中断绑定。
通过修改或可以设置中断绑定，其中{IRQ_ID}是相应的中断号。smp_affinity内容是16进制，smp_affinity_list内容是10进制，两个文件相通，修改一个之后另一个相应改变。
#03、经验总结
1、可以通过手动改变smp_affinity文件中的值来将IRQ绑定到指定的CPU核心上，或者启用irqbalance服务来自动绑定IRQ到CPU核心上。针对多CPU多核的SMP体系，一般默认启用irqbalance简化配置并保障性能。
2、对于文件服务器、高流量Web服务器这样的应用来说，把不同的网卡IRQ均衡绑定到不同的CPU上将会减轻某个CPU的负担，提高多个CPU整体处理中断的能力。
3、对于数据库服务器这样的应用来说，把磁盘控制器绑到一个CPU、把网卡绑定到另一个CPU将会提高数据库的响应时间实现优化性能。
综上所述，性能优化是一个过程而不是结果，需要大量的测试、观察、验证和改进。因此，应用系统需要合理地根据生产环境配置和应用特点来平衡IRQ中断，从而不断提高系统的整体吞吐能力和性能。
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