物理服务器网络性能优化

#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（Symmetric Multi-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，linux kernel 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。

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。

如果在Ethe.NET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。

3、设置网卡当前使用多队列。

4、确保多队列设置确实已生效，可以查看文件。

5、查看系统给网卡端口分配的中断号。

6、主动关闭irqbalance进程。

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。