三层以太网交换机CPU收发包问题的分析

来源：作者：出处：巧巧读书 2007-05-28 进入讨论组

(2)突发(Burst)方式上报CPU

交换芯片(采用ASIC)一侧的硬件接收队列和DMA内存空间中的环形队列，一起赋予了交换机一定的缓冲能力(针对上送CPU的数据包)。

利用这个缓冲能力，我们可以把控制周期适当放长，并设定控制的粒度(单位控制周期内CPU收报个数的上限)，采用类似于电路中负反馈的机制动态地使能和关闭CPU收包功能。这样就在宏观上实现了对数据包上送CPU速率的控制。另外，如果交换芯片(采用ASIC)支持基于令牌桶算法的CPU端口出方向流量监管或整形功能[2-3]，且监管或整形的最小阈值可以满足CPU限速的需要，则可以利用这个功能控制数据包上送CPU的节奏，减小CPU的负载。这样软件的处理就简化了很多。

1.2 CPU端口队列的长度规划

如果仅考虑交换机CPU端口的缓冲能力，CPU端口队列当然是越长越好，但是必须兼顾对其他功能以及性能的影响。针对不同的ASIC芯片，需要具体问题具体分析。

1.3 零拷贝

零拷贝是指在整个数据包的处理过程中，使用指针做参数，不进行整个数据包的拷贝。这样可以大大提高CPU的处理效率。

使用零拷贝后，会一定程度上降低软件处理的灵活性，我们会面临到这样的问题：如果协议栈需要更改一个数据包的内容，会直接在接收缓存(buffer)上修改，但是如果需要在数据包中删除或添加字段(例如添加或删除一层标签(tag))，即数据包的长度需要变化时，应该如何处理。

添加或删除字段，必然会导致数据包头一侧或包尾一侧的位置发生移动，如果包尾一侧移动，问题比较简单，只要数据包总长度不超过buffer边界即可。由于通常此类操作都靠近包头的位置，如果包头一侧移动，效率会比较高，所以协议栈在处理时可能更倾向于在包头一侧移动，这时就需要驱动在分配buffer时做一些处理：

(1)接收数据包时，头指针不能指向buffer边界，需要向后偏移一定裕量，同时单个buffer的大小也必须兼顾到最大传送单元(MTU)和该裕量。

(2)释放数据包时buffer首指针需要作归一化处理(如图2所示)。

图2

1.4 中断/轮询

目前交换机涉及到的外部中断主要由交换芯片产生，交换芯片主要的外部中断包括DMA操作(如收到包、发包结束、新地址消息等等)和一些出错消息。如果中断请求过于频繁，中断服务程序(ISR)和其他进程之间频繁地上下文切换会消耗大量CPU时间。如果有持续大量的中断请求，CPU会始终处于繁忙状态，各种协议得不到足够的调度时间，从而导致协议状态机超时等严重故障。

为了避免事件触发频率不可控的问题，可以使用轮询机制，通常的做法是用CPU定时器触发原先由外部中断触发的ISR，由于定时器触发的间隔是固定的，所以ISR执行的频率得到了控制，避免了上述的问题。

轮询和外部中断相比，只是节奏可控(外部中断的节奏取决于外部事件发生的频率，CPU不可控)。但是，轮询也有其不可避免的缺点——响应慢。不能满足某些实时性要求较高的功能。另外，人们会发现用ping命令检测交换机3层接口大包时，使用轮询方式的交换机比使用中断方式的交换机的时延明显要大。

【责编:Youping】