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barry
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发表于: IP:您无权察看 2012-2-10 10:51:27 | [全部帖] [楼主帖] 楼主


http://www.chinaunix.net 作者: 独孤九贱  发表于:2009-07-06 10:12:08 【 发表评论】【 查看原文】【 Linux讨论区】【 关闭
小弟刚刚鸟枪换小炮。得到一台Intel(R) Core(TM)2 CPU   6400  @ 2.13GHz + PCI-E 4X 2.5GB的机器,以前看大家讨论多核,IRQ中断亲和的问题,心里头就发痒,现在终于有机会测试了!!!反复做了些测试,有一些值得思考的地方,将整个测试过程发上来(不包括性能改进方面的内容),与大家一起讨论(有点长,适合有耐心的TX看):

一些个人结论性的东西可能有误,希望大家指点!!!

一、测试环境:

发包机(PC_A) -------- (eth1)Linux(eth2)---------收包机(PC_B)

内核版本:2.6.12
网卡驱动:Intel e1000e[Intel现在把pci-e的千兆网卡单独拿出来了。整了个e1000e],NAPI模式[/color];
发包工具:bwtest
Linux配置:网桥 + Netfilter;
数据包是单向发送64bytes小包。即PC_B不发包。

二、不开启IRQ中断均衡;
内核编译中,不开启此选项。

Cpu(s):   0.0% user,   0.5% system,   0.0% nice,  50.3% idle

Cpu0  :   1.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,   1.0% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  50.8% idle

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,   1.0% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle

Cpu(s):   0.5% user,   0.0% system,   0.0% nice,  50.8% idle

Cpu0  :   0.0% user,   1.0% system,   0.0% nice,   2.0% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle


此时数据转发约166Mb(这是我发包机的上限了……)

从三次采样结果来看,所有负载都被放在了CPU0上面,CPU1基本上是在睡大觉。
同时,查看/proc/interrupt,也可以看到,CPU1上面没有中断。
结论:多核下不启用IRQ中断均衡功能是一种资源浪费。

三、开启IRQ中断均衡:
在内核编译中,启用该选项。

[root@SkyNet ~]# cat /proc/interrupts 

           CPU0       CPU1       

 74:     154789          1         PCI-MSI  eth1

 82:      16393    2102221         PCI-MSI  eth2


并没有去手动修改smp_affinity文件。在开机的时候,短暂的把eth2的中断也放到了CPU0后,立马自己学习,转到cpu1上面去了。实现了两张网卡,两个CPU,一人一个。哥俩好!!!
但是,这并不能让我高兴,因为问题才刚刚开始:

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  38.5% idle

Cpu0  :   1.0% user,   1.0% system,   0.0% nice,   2.0% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  73.7% idle

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  37.2% idle

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,   2.1% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  72.4% idle

Cpu(s):   0.5% user,   0.5% system,   0.0% nice,  38.2% idle

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,   3.0% idle

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  73.7% idle


从三次采样结果来看,
1、CPU总负载不降反升了,从50%左右,上升到63%左右了。[从ilde的百分比可以看出来]
2、CPU0的下来了(因为eth2的中断不需要它去处理了);
3、CPU1的负载从0%上升到了27%左右。

为什么会有这种情况发生呢?此时猜测唯一可以解释的就是:

“CPU1此时只分担到了发送数据帧的中断工作,网络内核栈的工作,从net_rx_action开始,包括网桥、Netfilter、队列调度等等工作,全部集中到了CPU0上,网络栈的工作,并没有实现负载均衡,换句话说,net_rx_action这个软中断,只在一个CPU上运行了,并没有实现多个CPU的同时运行和调度(通过后面的实验和ShadowStar同学 的指点,最后这一句的结论是错的,我最后会说明)”



为了进一步证明我的这个结论,我在Netfilter的raw表的PREROUTING中,丢弃所有数据:

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  78.6% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  57.0% idle,   0.0% x,   5.4% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  78.1% idle,   0.0% x,   2.7% y

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  55.3% idle,   0.0% x,   5.3% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  80.1% idle,   0.0% x,   2.2% y

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  60.6% idle,   0.0% x,   4.3% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle,   0.0% x,   0.0% y


当数据被丢弃时,从三次采样的结果来看,
1、CPU1因为不再发送数据,又没有事情干了。它的空闲是100%,所以,像网桥处理,软中断,肯定也没有它的份。再一次印证了刚才的想法(尽管它是错的);
2、CPU0负载也大幅的下降,这是因为。它不再处理连接跟踪那些东东了——再一次证明,Netfilter是一个很吃CPU的东东。

那有没有可能:[color=Red]让一个CPU来处理内核网格栈的功能,一个CPU来专门处理网卡中断呢??[/color]我突发奇想了!!!
即然现在net_rx_action软中断是运行在CPU0上的,那我调整中断亲和,把CPU0上的中断负载调整到CPU1上去,不就完美了么??呵呵:

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  59.0% idle,   0.0% x,   0.5% y

Cpu0  :   0.0% user,   1.1% system,   0.0% nice,  98.9% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  18.1% idle,   0.0% x,   1.1% y

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  59.6% idle,   0.0% x,   0.5% y

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  18.1% idle,   0.0% x,   1.1% y

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  59.6% idle,   0.0% x,   0.5% y

Cpu0  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice, 100.0% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  20.2% idle,   0.0% x,   1.1% y


实验结果让我失望:
1、总CPU负载的确是下降了;
2、此时Cpu0变为空闲又变为100%——软中断函数并没有像预期的那样,跑到Cpu0上面去;而是所有的东东又跑到Cpu1了,此时CPU1负载明显上升很多,[color=Red]net_rx_action好像是随着中断落到哪个CPU上,它就跑到哪个CPU上面去

3、一个有趣的现像是:所有任务由Cpu0处理,总负载是50%,所有任务由Cpu1处理,总负载下降很明显,这个原因没有仔细去考究了,难道是第二个核性能比第一个好???:em02: :em02: :em02: 

因为通过上述实验,得到了“net_rx_action好像是随着中断落到哪个CPU上,它就跑到哪个CPU上面去”的结论,那么一开始的“net_rx_action这个软中断,只在一个CPU上运行了,并没有实现多个CPU的同时运行和调度”的结论就被推翻了!!那为什么会造成这种情况呢??我陷入了沉思当中。

四、为什么会是这样呢?
通过查看代码,找到了原因(代码有删减):

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)

{

       struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);

      
       while (!list_empty(&queue->poll_list)) {

             struct net_device *dev;

            
             dev = list_entry(queue->poll_list.next,

              struct net_device, poll_list);

             netpoll_poll_lock(dev);

            
             if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {

                   list_del(&dev->poll_list);

                   list_add_tail(&dev->poll_list, &queue->poll_list);

                   if (dev->quota < 0)

                   dev->quota += dev->weight;

                   else

                   dev->quota = dev->weight;

             } else {

            
       }

}

out:

local_irq_enable();

return;

softnet_break:

__get_cpu_var(netdev_rx_stat).time_squeeze++;

__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);

goto out;

}



所有问题有核心在于,softnet_data是一个pre_cpu变量,net_rx_action被某个CPU执行时,它只会遍历属于自己的网络设备队列。如上面的实验中,当eth1只会出现在cpu0的网络设备队列,eth2只会出现在CPU1的队列中。
遗憾的是,我的测试中,数据发送是单向的,所以,eth2没有接收数据。所以,所有的网络栈的工作,就理所当然地落到了CPU0上面来了。
那为什么,“当eth1只会出现在cpu0的网络设备队列,eth2只会出现在CPU1的队列中”,也就是随着硬件中断落到哪个CPU上,它就会在哪个CPU响应呢???这需要看poll_list这个网络设备队列的添加的实现过程了。
这个过程,都是在网卡中断函数中,它会调用:

netif_rx_schedule

static inline void netif_rx_schedule(struct net_device *dev)

{

       if (netif_rx_schedule_prep(dev))

       __netif_rx_schedule(dev);

}


static inline void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev)

{

       unsigned long flags;

      
       local_irq_save(flags);

       dev_hold(dev);

       list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);

       if (dev->quota < 0)

       dev->quota += dev->weight;

       else

       dev->quota = dev->weight;

       __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);

       local_irq_restore(flags);

}



所以,每个网络设备中断,会把产生中断的网络设备(也就是自己)放到响应中断的那个CPU的softnet_data的队列上去。这就是原因所在了。
对于上面的实验,当一个网卡一个CPU时:eth1产生中断,把自己放到cpu0 的队列,eth2产生中断,把自己放到cpu1的队列,因为数据发送是单向的,当cpu1进入net_rx_action时,它的设备列表中显然不会有eth1,所以它也就没有了处理后续处理工作的机会,而所有的革命重任都落到了cpu0上。这就是前面实验中,为什么虽然硬中断已经实现一人处理一个,但是cpu0的负载很高,而cpu1的负载很低的原因了。

五、最后一个实验
为了证明以上的推断,将测试数据包方向改为双向发送。这样,eth2也会产生接收中断,会把eth2的接收帧放到CPU1的队列上去。就能够实现两个net_rx_action并行——cpu0的队列中包含eth1,cpu1的队列中包含eth2……

Cpu(s):   0.5% user,   0.5% system,   0.0% nice,  16.6% idle,   0.0% x,   1.6% y

Cpu0  :   1.1% user,   0.0% system,   0.0% nice,  11.6% idle,   0.0% x,   0.0% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  21.9% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu(s):   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  16.8% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu0  :   0.0% user,   1.1% system,   0.0% nice,  10.5% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  22.1% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu(s):   0.5% user,   0.5% system,   0.0% nice,  15.1% idle,   0.0% x,   2.1% y

Cpu0  :   1.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  11.5% idle,   0.0% x,   1.0% y

Cpu1  :   0.0% user,   0.0% system,   0.0% nice,  19.8% idle,   0.0% x,   3.1% y


1、cpu0的负载下降了,从2%的空闲到10%左右。这跟我的测试环境有关——数据包改为双向后,发包机的性能下降,它发送的数据帧从166Mb/s降到了100Mb/s。
2、可以看到CPU1负载明显地上升了,从70%多的空闲到20%左右,很明显,它此时也要运行net_rx_action,处理从收包机过来的接收到的数据帧,并处理网桥,Netfilter……等网络栈的工能。

六:初步结论
1、多核下,IRQ的负载均衡应该开启;
2、中断亲和内核自己可以通过调度算法解决,自己定义也可以;
3、中断实现多核并行后,内核协议栈的并行工作,包括网桥、ipv4、防火墙……的多核并行,跟硬中断落到哪个CPU上,也有直接关系。

在实践中,可能会遇到CPU数量大于/小于/等于网卡的情况,也有可能出现上/下行流量极不对称的情况,但是以上实验对于多核下调整内核的性能,还是很有意义的!

[ 本帖最后由 独孤九贱 于 2009-5-19 15:51 编辑 ]




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