[[351331]]

我是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，我被開發(fā)出來的使命就是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)進(jìn)出出的所有通信流量。

一直以來，我的工作都非常的出色，但是隨著我監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)越來越龐大，網(wǎng)絡(luò)中的通信流量也變得越來越多，我開始有些忙不過來了，逐漸發(fā)生丟包的現(xiàn)象，而且最近這一現(xiàn)象越發(fā)的嚴(yán)重了。

萬兆流量需求

一天晚上，程序員哥哥把我從硬盤上叫了起來。

“這都幾點(diǎn)了，你怎么還不下班啊?”，我問小哥哥。

“哎，產(chǎn)品經(jīng)理說了，讓我下個(gè)月必須支持萬兆網(wǎng)絡(luò)流量的分析，我這壓力可大了，沒辦法只好加班了。”，說完整理了一下自己那日益稀疏的頭發(fā)。

“萬兆?10Gbps?開玩笑呢吧?這是要累死我的節(jié)奏啊”

“可不是嗎，可愁死我了。你快給我說說，你工作這么久了，有沒有干的不爽的或者覺得可以改進(jìn)的地方都可以給我說說”，小哥哥真誠的看著我。

我思考了片刻說到：“要說干的不爽的，還真有!就是我現(xiàn)在花了太多時(shí)間在拷貝數(shù)據(jù)包了，把數(shù)據(jù)包從內(nèi)核空間拷貝到用戶態(tài)空間，以前數(shù)據(jù)量小還行，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)流量這么大，可真是要了我的老命了。”

小哥哥嘆了口氣，“哎，這個(gè)改不了，數(shù)據(jù)包是通過操作系統(tǒng)的API獲取的，操作系統(tǒng)又是從網(wǎng)卡那里讀取的，咱們是工作在用戶空間的程序，必須要拷貝一次，這沒辦法。你再想想別的?”

我也嘆了口氣，“那行吧，還有一個(gè)槽點(diǎn)，數(shù)據(jù)包收到后能不能直接交給我，別交給系統(tǒng)的協(xié)議棧和netfilter框架他們?nèi)ヌ幚砹耍凑夷脕砗笠惨匦路治觯看味紡乃麄兡抢镞^一次，他們辦事效率又低，這不拖累我的工作嘛”

小哥哥皺著眉頭，眨了眨眼睛說到：“大兄弟，這個(gè)咱也改不了啊，我這水平也有限，我還沒有能力改造你繞過操作系統(tǒng)讓你直接去跟網(wǎng)卡打交道啊。要不，要不你再說一個(gè)?嘿嘿”

“好吧，我也就不為難你了。有個(gè)簡單的問題，你可得改一下”

“什么問題，說說看?”

“就是我現(xiàn)在花了很多時(shí)間在線程切換上，等到再次獲得調(diào)度執(zhí)行后，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)換了一個(gè)CPU核，導(dǎo)致之前的緩存都失效了，得重新建立緩存，這又是一個(gè)很大的浪費(fèi)啊!能不能讓我的工作線程獨(dú)占CPU的核心，這樣我肯定能提高不少工作效率!”

小哥哥稍微思考了一下，說到：“沒問題，這個(gè)可以有!用線程親和性就可以搞定，給你劃幾個(gè)核出來，不讓它們參與系統(tǒng)的線程調(diào)度分配，專門給你用，這事就包在我身上吧!”

中斷問題

過了幾天，程序員哥哥對我進(jìn)行了升級改造，讓我的幾個(gè)工作線程都能獨(dú)占CPU核，工作效率提升了不少。

不過，距離產(chǎn)品經(jīng)理要求的萬兆流量分析指標(biāo)，那還是差了一大截。

一天晚上，程序員小哥哥又找我聊了起來。

“現(xiàn)在分析能力確實(shí)有所提升，不過離目標(biāo)還差得遠(yuǎn)啊，你快給我說說，還有沒有改進(jìn)的建議給我啊?”

“有倒是有，但是我估計(jì)你還是會說改不了”，我翻了個(gè)白眼。

“你先說說看嘛!”

“現(xiàn)在這個(gè)數(shù)據(jù)包是用中斷的形式來通知讀取的，能不能不用中斷，讓我自己去取啊?你是不知道，每次中斷都要保存上下文，從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，那么多流量，這開銷大了去了!”，我激動的說到。

小哥哥聽完沉默了。

“看吧，我就說你改不了吧!還是算了吧，趁早給產(chǎn)品經(jīng)理說這個(gè)需求做不了，咱倆都輕松自在”

“那不行，這個(gè)項(xiàng)目對我非常重要，我還指望通過你來升職加薪，走向人生巔峰呢!”，小哥哥說的很堅(jiān)定。

“實(shí)在不行，那就多找?guī)着_機(jī)器，把我copy幾份過去，軟件不行就靠硬件堆出性能嘛!”，我沖他眨了個(gè)眼睛。

“這還用你說，老板肯定不會同意的”

“那我沒轍了，實(shí)話告訴你吧，想要我能處理萬兆網(wǎng)絡(luò)流量，非得繞開操作系統(tǒng)，我親自去從網(wǎng)卡讀取數(shù)據(jù)包不可，你好好去研究下吧，想升職加薪，怎么能怕難呢!”，我給小哥哥打了打氣。

小哥哥點(diǎn)了點(diǎn)頭，“你說的是，我一定可以的，給我一點(diǎn)時(shí)間”

DPDK

就這樣過了一個(gè)多星期，程序員小哥哥一直沒再來找過我，也不知道他研究的怎么樣了。

又過了好幾天，他終于又來了。

“快出來!我找到辦法了，明天就開始改造你!”

我一聽來了興趣，“什么辦法?你打算怎么改造我?”

“這個(gè)新方案可以解決你之前提出的所有問題，可以讓你直接去跟網(wǎng)卡打交道，不用中斷來通知讀取數(shù)據(jù)包，也不用再把數(shù)據(jù)包交給系統(tǒng)協(xié)議棧和netfilter框架處理，不用再頻繁的在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)反復(fù)切換了!”，小哥哥越說越激動!

“你也太牛了吧，能把這些問題都解決了!你是怎么做到這些的，什么原理?”，我好奇的問到。

小哥哥有些不好意思，“我哪有那本事啊，其實(shí)這是別人開發(fā)的技術(shù)，我只是拿來用而已。”

“額，那你都弄清楚它的原理了嗎，別到時(shí)候坑我啊!”，我有些不太放心。

“這個(gè)你放心，這個(gè)技術(shù)叫DPDK，是人家Intel開發(fā)的技術(shù)，靠譜!”

接下來，程序員小哥哥給我介紹了這個(gè)叫DPDK的技術(shù)原理。

有了DPDK，通過操作系統(tǒng)的用戶態(tài)模式驅(qū)動UIO，我可以在用戶態(tài)通過輪詢的方式讀取網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包，再也不用中斷了!

直接在用戶態(tài)讀取，再也不用把數(shù)據(jù)包在內(nèi)核態(tài)空間和用戶態(tài)空間搬來搬去。讀到了之后我直接就可以分析，還不用走系統(tǒng)協(xié)議棧和netfilter瞎耽誤功夫，簡直完美!

“還不止這些呢!還支持大頁內(nèi)存技術(shù)”，小哥哥得意的說到。

“大頁內(nèi)存?這是什么”

“默認(rèn)情況下系統(tǒng)不是以4KB大小來管理內(nèi)存頁面的嗎?這個(gè)單位太小了，對于咱們服務(wù)器內(nèi)存會有大量的內(nèi)存頁面，為了管理這些頁面，就會有大量的頁表項(xiàng)。CPU里面進(jìn)行內(nèi)存地址翻譯的緩存TLB大小有限，頁表項(xiàng)太多就會頻繁失效，降低內(nèi)存地址翻譯的速度!”

聽到這里，我突然明白了：“我知道了，把這個(gè)單位調(diào)大，管理的內(nèi)存頁面就少了，頁表項(xiàng)數(shù)量就少了，TLB就不容易失效，地址翻譯就能更快對不對?”

“沒錯，你猜猜看，調(diào)到多大?”，小哥哥故作神秘。

“翻一倍，8KB?”，見小哥哥搖搖頭，我又猜到：“難道是16KB?”

“太保守了，能支持2MB和1GB兩種大小呢!”

“這么大，厲害了!”

空轉(zhuǎn)問題

第二天，程序員小哥哥開始了對我進(jìn)行了徹底的重構(gòu)。

升級后的我試著跑了一下，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：如果數(shù)據(jù)包不是很多或者沒有數(shù)據(jù)包的情況下，我的輪詢基本上就挺浪費(fèi)時(shí)間的，一直空轉(zhuǎn)，由于我獨(dú)占了一個(gè)核，這個(gè)核的占用率就一直是100%，不少別的程序都吐槽我，占著**不**。

于是，程序員小哥哥又對我進(jìn)行了升級，用上了Interrupt DPDK模式：沒有數(shù)據(jù)包處理時(shí)就進(jìn)入睡眠，改為中斷通知。還可以和其他線程共享CPU核，不再獨(dú)占，但是DPDK線程會有更高調(diào)度優(yōu)先級，一旦數(shù)據(jù)包多了起來，我又變成輪詢模式，可以靈活切換。

程序員哥哥連續(xù)加了兩個(gè)星期的班，經(jīng)過一番優(yōu)化升級，我的數(shù)據(jù)包分析處理能力有了極大的提升。

然而遺憾的是，測試了幾輪，當(dāng)面臨10Gbps的流量時(shí)，我還是有點(diǎn)力不從心，還是差了那么一點(diǎn)點(diǎn)。

小哥哥有些灰心喪氣，“我不知道該怎么辦了，你覺得還有什么哪些地方可以改進(jìn)嗎?”

“我現(xiàn)在基本滿負(fù)荷工作了，應(yīng)該沒有什么地方可以改進(jìn)了。現(xiàn)在唯一有時(shí)間喘口氣的地方就是數(shù)據(jù)競爭的時(shí)候了，遇到數(shù)據(jù)被加了鎖發(fā)生線程切換歇一歇”

小哥哥思考了幾秒鐘，突然眼睛一亮，高興的說到：“有了!”

還沒來得及問，就把我關(guān)閉，下班去了～

到底程序員小哥哥又要對我做什么呢?

 本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「 編程技術(shù)宇宙」，可以通過以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系 編程技術(shù)宇宙公眾號。