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Linux系统TSO的实现原理

时间:2021-04-10    来源:大神到    人气:

所谓的TSO就是TCP Segment Offload,TSO的原理说起来也不算太难,就是利用网卡实现TCP分段,从而达到缩短CPU周期的目的。本文就来介绍一下Linux系统TSO的实现原理。

TSO的原理几乎每个人都知道,事实上它是怎么实现的这个问题也不难,难的是细节。在做完了正事之后,我想把这个原理展现出来,当然可能和实际的实现有超级大的出入,不管怎样,它是一个原理框图,仔细观察,应该也能自己实现一个比我这个更好的TSO了。

这个设计是一个数字逻辑,时序电路的范畴,而这个领域十分地高大上,并不是普通的软件程序员能hold住的,像我这样的半瓶子也一样。所以我依然是按照老样子,试图直接给出一个结果,而不是要求听书的人事先做一些准备,往往在人们做这些准备工作的时候,就已经厌倦放弃了。

基础知识不难,就是一些门电路,与门,非门,比较器,译码器,触发器之类的,这些东西随便找一本计算机组成原理,都很齐全。关键是怎么组合它们,这是另一个领域的编程。此时,我想起了15年前我的高中物理老湿刘丹青在讲电路的时候说过的一句话:让电流流一下。这句话在科班人看来完全不符合电路设计的基本原则,他们可能更倾向于首先建模,然后分析,然后使用描述语言VHDL写出代码,最后再给出电路,我觉得这适合于设计本身,但是不适合于对一个门外汉讲述其精彩。对于一个门外汉来讲,他唯一所知道的就是,让电流流一下,然后冲过这个门,冲过那个管,好了,高电平变成低平了。。。

在一张白纸上,画出一堆的门电路,然后随性随意组合它们,慢慢的,我突然发现,这个电路就是TSO的框架了。我记得上周帮人固化了路由转发表,然而那种固化行为可能会因为成本过高而被pass掉,毕竟如今的软实现已经够用了吧。所以只有核心传输网才需要这种固化的转发表,然而TSO却是服务器领域的首推,服务器太多了,远比核心转发设备多,它们的CPU需要减负,确实,CPU去计算一些固定模式的东西,有点浪费,它应该花更多的精力去处理一些不可控的东西。所以TCP分段这种事情自然而然就由网卡代劳了。你,我,他,我们都遇到过TSO,但是我们只会开启,关闭它,如果你想知道它到底是怎么Offload的,请看下图,让电流流一流:

TCP分段和IP分片的区别很大,这个事你一定要明白。然后才可以看懂上面的图。

以上的解析只是一个特例,事实上,所有的硬件加速机制无非都是一样的机制。当我在看Intel千兆/万兆网卡的手册时,我想到在芯片的内部,这种电路的元件几乎是海量的,实现了RSS,硬件hash分类等。这就是我所谓的江河泛滥,沿着沟壑瞬间吞噬大地,我们该如何挖沟填壑,这不是本文的目的,本文只是描述了这种可能性。这也是这种专用电路和通用CPU之间的本质区别。CPU存在着一个指令集,这意味着它是关注于外部如何调用的,而专用电路的关注点在于内部的执行逻辑,它几乎不对外提供任何接口,唯一的就是设置几个寄存器的值,比如MTU,数据包长度,数据包头长度等,其它的执行逻辑,外部无权过问。这是串行编程和并行执行的本质区别。

对于指令系统,也有一些要说的。在内部控制逻辑上,有一个统一的指令分发系统,实际上就是发射出一系列的0和1的组合,这个组合中的0和1作用于各种门电路,这些门电路接受了这些不同的输入后,产生不同的输出,然后再作为另外的门电路的输入,造成不同的输出,如此反复。。。难道事实不是这样子吗?你很难否则定。

让电流流一流,如果你觉得比较抽象,那就观察洪水泛滥的过程吧,大河决堤的地点不同,造成的灾难也不同,关键在于决堤处的地势以及其所连接的各种地形,这一切都是同时发生的,和电流一样,水流在经过一个弯道或者一道拱桥的时候,也会有一些延时和分流,这就可以类比电路中的各种门。

好了,Linux系统TSO的实现原理就为大家介绍到这里了,是不是看得有点晕了,看明白文中的那个图,就能看得更清楚一点了。

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