深入 Linux 网络(一) -- 网卡队列

文章目录

    • 网卡
      • 网卡的核心功能
      • 网卡的关键技术
      • 单队列网卡
      • 多队列网卡
    • 查看网卡信息
      • ifconfig
      • ethtool
      • 查看网卡队列
    • Linux 查看中断绑定
      • 网卡中断查询
      • 查看中断绑定的 cpu
    • 总结
      • 1. 默认情况（单队列网卡）
      • 2. 多队列网卡
      • 3. 如何查看和配置绑定关系？
      • 4. 性能优化建议
      • 结论

网卡

网卡（Network Interface Card，NIC），又称 网络适配器（Network Adapter）或 网络接口控制器（Network Interface Controller），是计算机或其他网络设备用于连接网络的硬件组件。

它负责在计算机和网络（如以太网、Wi-Fi、光纤网络等）之间传输数据。

网卡的核心功能

  1. 数据发送（TX, Transmit）：将计算机的数据包转换为电信号或光信号，并通过物理介质（如网线、光纤、无线电波）发送到网络。
  2. 数据接收（RX, Receive）：从网络接收数据信号，并转换为计算机可处理的数字数据。
  3. MAC 地址管理：每个网卡都有一个唯一的 MAC 地址（Media Access Control Address），用于在局域网（LAN）中标识设备。
  4. 协议处理：支持 TCP/IP、UDP、ARP 等网络协议，确保数据正确封装和传输。
  5. 中断处理（IRQ）：当数据到达或发送完成时，网卡通过 硬件中断（IRQ） 通知 CPU 处理

网卡的关键技术

  1. 多队列（Multi-Queue）
  • RSS（Receive Side Scaling）：多个 RX 队列，让不同 CPU 核心并行处理接收流量。
  • XPS（Transmit Packet Steering）：多个 TX 队列，优化发送性能。

适用场景：高吞吐量服务器（如 10G/25G 网卡）。

  1. 硬件卸载（Offload）
  • LRO/GRO：大包合并，减少 CPU 负载。
  • TSO（TCP Segmentation Offload）：由网卡拆分 TCP 大包，降低 CPU 开销。
  • Checksum Offload：由网卡计算校验和，提高效率。
  1. 虚拟化支持
  • SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）：一张物理网卡虚拟出多个虚拟网卡（VF），供虚拟机直通使用。
  • VXLAN/NVGRE Offload：硬件加速虚拟网络。

单队列网卡

如果网卡只有一个 RX 队列(接收) 和一个 TX 队列(发送)，即为单队列网卡

要注意的是，在网卡中，单独的 RX（接收） 和 TX（发送） 通常被视为 两个独立的队列，而不是一个队列。 而称之为单队列网卡(1 RX + 1 TX)是为了与多队列网卡(n RX + m TX)区别开来

关键点：

  1. RX队列：专门负责接收数据包（从网络到主机）。
  2. TX队列：专门负责发送数据包（从主机到网络）。
  3. 独立性：它们的功能和数据处理方向完全相反，硬件和驱动通常会分开管理这两个队列。

多队列网卡

上面说到单队列网卡 1个RX + 1个TX = 2个队列（1个接收队列 + 1个发送队列）。

那么如果是多队列网卡，则可能是 N个RX队列 + M个TX队列（例如 8RX+8TX）。

查看网卡信息

ifconfig

通过 ifconfig 查看网卡，例如这里是 ens192

[root@ ~]# ifconfig
...
ens192: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
...RX packets 1447137979  bytes 421584628040 (392.6 GiB)RX errors 0  dropped 23  overruns 0  frame 0TX packets 1683429823  bytes 314926856868 (293.2 GiB)TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

ethtool

通过 ethtool 查看网卡相关信息

[root@ ~]# ethtool -i ens192
driver: vmxnet3
version: 1.4.17.0-k-NAPI
firmware-version: 
expansion-rom-version: 
bus-info: 0000:0b:00.0
supports-statistics: yes
supports-test: no
supports-eeprom-access: no
supports-register-dump: yes
supports-priv-flags: no

查看网卡队列

可以执行下面命令查看网卡队列，可以看出有16个队列，rx 与 tx 队列各有8个

[root@ ~]# ls /sys/class/net/ens192/queues/
rx-0  rx-1  rx-2  rx-3  rx-4  rx-5  rx-6  rx-7
tx-0  tx-1  tx-2  tx-3  tx-4  tx-5  tx-6  tx-7

Linux 查看中断绑定

先上结果图展示:

网卡内部有多个队列，每一组都有 1 RX + 1 TX 2个队列，例如 rx-0 与 tx-0，每一组队列对应一个中断，是机器启动后注册上去的，每个中断(硬中断)都对应着一个中断函数。

后续网络数据的收发 --> 硬中断 --> 找到中断函数 --> 用绑定的cpu来处理，网卡所发出的中断是硬中断。

网卡中断查询

通过 /proc/interrupts 过滤查询对应网卡的中断

[root@ ~]# (head -n 1 /proc/interrupts && grep ens192 /proc/interrupts)CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       CPU4       CPU5       CPU6       CPU7       57:   54323955   50498186   58073762   26180655  117508750   61323815   13512600    5579109   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-058:   36057837   61587828   64925105   16531986   53159081   18216138   14781056   25738649   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-159:   21230949   35197430   29174376   15012576   21111201   19745533  193447095    4072969   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-260:   18630617   37195730   38652962   23898573   10714277   13863697   22873438  206191900   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-361:   20170505   20338217   24230031   27035431   11011878  198439738   60856797    2458748   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-462:   71691281   87398091   79354652   46557471   40000772   13542848    4368702    4344379   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-563:   58123626   26376999   40864211  157759424   34608174   12835300   31843092   10343885   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-664:  109253297   71849659   37388197   55968603   56479525   20341714    5638153    2536989   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-765:          0          0          0          0          0          0          0          0   PCI-MSI-edge      ens192-event-8

/proc/interrupts 行中 CPU 核心编号列（如 CPU0 CPU1 CPU2…），显示的是各中断在这些 CPU 上的触发次数。

上面举例说明:

# 65号中断:
#65:          0          0          0          0          0          0          0          0   PCI-MSI-edge      ens192-event-8
65：表示逻辑中断号，是系统为该中断分配的唯一标识符。
0 0 0 0 0 0 0 0：这部分表示该中断在各个 CPU 核心上发生的次数。这里显示的都是 0，说明到目前为止，这个中断还没有在任何 CPU 核心上被触发过。
PCI-MSI-edge：PCI-MSI 表示中断类型为 PCI 消息信号中断（PCI Message Signaled Interrupts），edge 表示中断触发方式为边沿触发，即当信号的电压从低电平转换到高电平时，会产生一个中断信号，且该中断信号只被发送一次。
ens192-event-8：这是与该中断相关联的设备名称，表明这个中断是由网络接口ens192产生的，event-8可能是ens192网卡的某个特定事件或队列对应的中断。另外57号中断:
#57:   54323955   50498186   58073762   26180655  117508750   61323815   13512600    5579109   PCI-MSI-edge      ens192-rxtx-0...(前面几个略去解释)
ens192-rxtx-0：
ens192：网络接口名称，通常由系统自动分配。
rxtx-0：rxtx：表示该队列是 接收（RX）和发送（TX）合并队列（Combined 模式），同时处理数据收发。部分网卡支持将 RX 和 TX 队列合并为一个队列以简化管理。0：队列编号，表明这是网卡的 第 0 个合并队列。现代多队列网卡（如支持 RSS/XPS 的网卡）通常会创建多个队列（如 rxtx-0、rxtx-1 等），每个队列独立处理流量以实现多核并行。

查看中断绑定的 cpu

中断与cpu 绑定，对应的中断则由相应的cpu来处理，通过 /proc/irq/<IRQ_NUM>/smp_affinity 查询相关中断绑定的cpu情况

[root@ ~]# for irq in {57..65}; do echo -n "IRQ $irq: " && cat /proc/irq/$irq/smp_affinity; done
IRQ 57: 01  # 0000 0001, 绑定的是 cpu0
IRQ 58: 40  # 0100 0000, 绑定的是 cpu6
IRQ 59: 02  # 0000 0010, 绑定的是 cpu1
IRQ 60: 08  # 0000 1000, 绑定的是 cpu3
IRQ 61: 20  # 0010 0000, 绑定的是 cpu5
IRQ 62: 10  # 0001 0000, 绑定的是 cpu4
IRQ 63: 02  # 0000 0010, 绑定的是 cpu1
IRQ 64: 04  # 0000 0100, 绑定的是 cpu2IRQ 65: 10  # 0001 0000, 绑定的是 cpu0

可以看出，网卡发送接收相关的中断(57-64) 对应网卡8个合并队列 ens192-rxtx-0~7，对应着 cpu 0-6, 服务器是8核的虚拟机，虽然 cpu7 没用在这个网卡中断上，有可能其他中断有占用，cpu1 在 59 与 63 号中断共用，也可以自己指派 cpu，使其负载均衡，修改的文件是上面的 /proc/irq/$irq/smp_affinity

这里要注意的是每个合并队列实际上有两个独立的队列，只是为了省写方便，例如 ens192-rxtx-0 指代 rx-0,tx-0

中断号rxtx合并队列cpu
57ens192-rxtx-0cpu0
58ens192-rxtx-1cpu6
59ens192-rxtx-2cpu1
60ens192-rxtx-3cpu3
61ens192-rxtx-4cpu5
62ens192-rxtx-5cpu4
63ens192-rxtx-6cpu1
64ens192-rxtx-7cpu2

总结

网卡的 RX（接收）队列 和 TX（发送）队列 可以由 同一个 CPU 核心处理，也可以由不同的 CPU 核心处理，具体取决于以下因素：

1. 默认情况（单队列网卡）

  • 如果网卡只有1个 RX 队列 和1个 TX 队列（即单队列网卡），通常：
    • 同一个 CPU 核心 负责处理 RX 和 TX（通过中断或轮询方式）。
    • 例如，Linux 默认情况下，eth0 的接收和发送中断可能绑定到 CPU 0。

2. 多队列网卡

  • 现代高性能网卡（如 Intel I350、X710、Mellanox ConnectX）支持：
    • 多 RX 队列（RSS, Receive Side Scaling）：不同 RX 队列可以由不同 CPU 核心处理（负载均衡）。
    • 多 TX 队列（XPS, Transmit Packet Steering）：不同 TX 队列也可以绑定到不同 CPU 核心。
  • RX 和 TX 可以独立绑定到不同 CPU：
    • 例如：
      • RX 队列 0 → CPU 0
      • TX 队列 0 → CPU 1
      • RX 队列 1 → CPU 2
      • TX 队列 1 → CPU 3

3. 如何查看和配置绑定关系？

  • Linux 查看中断绑定：
    cat /proc/interrupts | grep ens192  # 查看网卡中断分配
  • 手动调整绑定（如将 RX 队列 0 绑定到 CPU 2）：
    echo 4 > /proc/irq/<IRQ_NUM>/smp_affinity  # 4 = CPU 2 (二进制掩码)
  • XPS（TX 队列绑定）：
    echo 1 > /sys/class/net/ens192/queues/tx-0/xps_cpus  # TX 队列 0 绑定到 CPU 0

4. 性能优化建议

  • RX 和 TX 分离：避免同一个 CPU 同时处理接收和发送，减少竞争。
  • NUMA 架构优化：确保网卡队列绑定的 CPU 和网卡位于同一个 NUMA 节点，减少跨节点访问延迟。

结论

  • 单队列网卡：RX 和 TX 通常由 同一个 CPU 处理。
  • 多队列网卡：RX 和 TX 可以 独立绑定到不同 CPU（推荐配置，提高并行性）。

作为开篇先认识网卡的一些概念，下一篇就开始探索 Linux 网络数据的收发过程了，会用到本篇网卡队列的知识，敬请期待……

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