TSO、GSO介绍与实现

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通过ethtoo命令来查看和设置

ethtool -k < 网络接口>，ethtool --show-offload < 网络接口>，或者可以看到很多网络接口的offload特性，例如：

$ sudo ethtool -k eth0
Offload parameters for eth0:
rx-checksumming: on
tx-checksumming: on
scatter-gather: on
tcp-segmentation-offload: on
udp-fragmentation-offload: off
generic-segmentation-offload: on
generic-receive-offload: on
large-receive-offload: off

这些offload特性都是为了提升网络收/发性能。TSO、UFO和GSO是对应网络发送，在接收方向上对应的是LRO、GRO。

可以使用如下命令来关闭对应的参数：

/usr/sbin/ethtool -K eth1 gro off
/usr/sbin/ethtool -K eth1 lro off
/usr/sbin/ethtool -K eth1 tso off

LRO

LRO(Large Receive Offload)，通过将接收到的多个TCP数据聚合成一个大的数据包，然后传递给网络协议栈处理，以减少上层协议栈处理开销，提高系统接收TCP数据包的能力。

GRO

GRO(Generic Receive Offload)，基本思想跟LRO类似，克服了LRO的一些缺点，更通用。后续的驱动都使用GRO的接口，而不是LRO。

RSS

RSS(Receive Side Scaling)，是一项网卡的新特性，俗称多队列。具备多个RSS队列的网卡，可以将不同的网络流分成不同的队列，再分别将这些队列分配到多个CPU核心上进行处理，从而将负荷分散，充分利用多核处理器的能力。

TSO

TSO(TCP Segmentation Offload)，是一种利用网卡对TCP数据包分片，减轻CPU负荷的一种技术，有时也被叫做 LSO (Large segment offload) ，TSO是针对TCP的，UFO是针对UDP的。如果硬件支持 TSO功能，同时也需要硬件支持的TCP校验计算和分散/聚集 (Scatter Gather) 功能。

GSO

GSO(Generic Segmentation Offload)，它比TSO更通用，基本思想就是尽可能的推迟数据分片直至发送到网卡驱动之前，此时会检查网卡是否支持分片功能（如TSO、UFO）,如果支持直接发送到网卡，如果不支持就进行分片后再发往网卡。这样大数据包只需走一次协议栈，而不是被分割成几个数据包分别走，这就提高了效率。

如果TSO开启，GSO会自动开启。

以下是TSO和GSO的组合关系：

GSO开启， TSO开启: 协议栈推迟分段，并直接传递大数据包到网卡，让网卡自动分段
GSO开启， TSO关闭: 协议栈推迟分段，在最后发送到网卡前才执行分段
GSO关闭， TSO开启: 同GSO开启， TSO开启
GSO关闭， TSO关闭: 不推迟分段，在tcp_sendmsg中直接发送MSS大小的数据包

开启GSO/TSO

驱动程序在注册网卡设备的时候默认开启GSO: NETIF_F_GSO

驱动程序会根据网卡硬件是否支持来设置TSO: NETIF_F_TSO

网卡的netdev->features值，在include/linux/netdevice.h中：

#define NETIF_F_SG 1 /* Scatter/gather IO. */
#define NETIF_F_IP_CSUM 2 /* Can checksum TCP/UDP over IPv4. */
#define NETIF_F_NO_CSUM 4 /* Does not require checksum. F.e. loopack. */
#define NETIF_F_HW_CSUM 8 /* Can checksum all the packets. */

#define NETIF_F_FRAGLIST 64 /* Scatter/gather IO. */

#define NETIF_F_GSO 2048 /* Enable software GSO. */

#define NETIF_F_GSO_SHIFT 16
#define NETIF_F_GSO_MASK 0x00ff0000
#define NETIF_F_TSO (SKB_GSO_TCPV4 << NETIF_F_GSO_SHIFT)
#define NETIF_F_UFO (SKB_GSO_UDP << NETIF_F_GSO_SHIFT)

对于要支持TSO的网卡而言，需要有 NETIF_F_SG | NETIF_F_TSO | NETIF_F_IP_CSUM，

相应如果要支持UFO，应该就需要 NETIF_F_SG | NETIF_F_UFO | NETIF_F_IP_CSUM

#define NETIF_F_SOFT_FEATURES (NETIF_F_GSO | NETIF_F_GRO)
int register_netdevice(struct net_device *dev)
{
...
/* Transfer changeable features to wanted_features and enable
* software offloads (GSO and GRO).
*/
dev->hw_features |= NETIF_F_SOFT_FEATURES;
dev->features |= NETIF_F_SOFT_FEATURES; //默认开启GRO/GSO
dev->wanted_features = dev->features & dev->hw_features;
...
}
static int ixgbe_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
...
netdev->features = NETIF_F_SG |
NETIF_F_TSO |
NETIF_F_TSO6 |
NETIF_F_RXHASH |
NETIF_F_RXCSUM |
NETIF_F_HW_CSUM;
register_netdev(netdev);
...
}

是否推迟分段

从上面我们知道GSO/TSO是否开启是保存在dev->features中，而设备和路由关联，当我们查询到路由后就可以把配置保存在sock中。

比如在tcp_v4_connect和tcp_v4_syn_recv_sock都会调用sk_setup_caps来设置GSO/TSO配置。

需要注意的是，只要开启了GSO，即使硬件不支持TSO，也会设置NETIF_F_TSO，使得sk_can_gso(sk)在GSO开启或者TSO开启的时候都返回true

l sk_setup_caps

#define NETIF_F_GSO_SOFTWARE (NETIF_F_TSO | NETIF_F_TSO_ECN | NETIF_F_TSO6)
#define NETIF_F_TSO (SKB_GSO_TCPV4 << NETIF_F_GSO_SHIFT)
void sk_setup_caps(struct sock *sk, struct dst_entry *dst)
{
__sk_dst_set(sk, dst);
sk->sk_route_caps = dst->dev->features;
if (sk->sk_route_caps & NETIF_F_GSO) /*GSO默认都会开启*/
sk->sk_route_caps |= NETIF_F_GSO_SOFTWARE; /*打开TSO*/
if (sk_can_gso(sk)) { /*对于tcp这里会成立*/
if (dst->header_len) {
sk->sk_route_caps &= ~NETIF_F_GSO_MASK;
} else {
sk->sk_route_caps |= NETIF_F_SG | NETIF_F_HW_CSUM;
sk->sk_gso_max_size = dst->dev->gso_max_size; /*GSO_MAX_SIZE=65536*/
}
}
}

从上面可以看出，如果设备开启了GSO，sock都会将TSO标志打开，但是注意这和硬件是否开启TSO无关，硬件的TSO取决于硬件自身特性的支持。下面看下sk_can_gso的逻辑。

l sk_can_gso

static inline int sk_can_gso(const struct sock *sk)
{
/*对于tcp，在tcp_v4_connect中被设置：sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4*/
return net_gso_ok(sk->sk_route_caps, sk->sk_gso_type);
}

l net_gso_ok

static inline int net_gso_ok(int features, int gso_type)
{
int feature = gso_type << NETIF_F_GSO_SHIFT;
return (features & feature) == feature;
}

由于对于tcp 在sk_setup_caps中sk->sk_route_caps也被设置有SKB_GSO_TCPV4，所以整个sk_can_gso成立。

GSO的数据包长度

对紧急数据包或GSO/TSO都不开启的情况，才不会推迟发送，默认使用当前MSS。开启GSO后，tcp_send_mss返回mss和单个skb的GSO大小，为mss的整数倍。

l tcp_send_mss

static int tcp_send_mss(struct sock *sk, int *size_goal, int flags)
{
int mss_now;
mss_now = tcp_current_mss(sk);/*通过ip option，SACKs及pmtu确定当前的mss*/
*size_goal = tcp_xmit_size_goal(sk, mss_now, !(flags & MSG_OOB));
return mss_now;
}

l tcp_xmit_size_goal

static unsigned int tcp_xmit_size_goal(struct sock *sk, u32 mss_now,
int large_allowed)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
u32 xmit_size_goal, old_size_goal;
xmit_size_goal = mss_now;
/*这里large_allowed表示是否是紧急数据*/
if (large_allowed && sk_can_gso(sk)) { /*如果不是紧急数据且支持GSO*/
xmit_size_goal = ((sk->sk_gso_max_size - 1) -
inet_csk(sk)->icsk_af_ops->net_header_len -
inet_csk(sk)->icsk_ext_hdr_len -
tp->tcp_header_len);/*xmit_size_goal为gso最大分段大小减去tcp和ip头部长度*/
xmit_size_goal = tcp_bound_to_half_wnd(tp, xmit_size_goal);/*最多达到收到的最大rwnd窗口通告的一半*/
/* We try hard to avoid divides here */
old_size_goal = tp->xmit_size_goal_segs * mss_now;
if (likely(old_size_goal <= xmit_size_goal &&
old_size_goal + mss_now > xmit_size_goal)) {
xmit_size_goal = old_size_goal; /*使用老的xmit_size*/
} else {
tp->xmit_size_goal_segs = xmit_size_goal / mss_now;
xmit_size_goal = tp->xmit_size_goal_segs * mss_now; /*使用新的xmit_size*/
}
}
return max(xmit_size_goal, mss_now);
}

l tcp_sendmsg

应用程序send()数据后，会在tcp_sendmsg中尝试在同一个skb，保存size_goal大小的数据，然后再通过tcp_push把这些包通过tcp_write_xmit发出去

int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
size_t size)
{
struct sock *sk = sock->sk;
struct iovec *iov;
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
int iovlen, flags;
int mss_now, size_goal;
int err, copied;
long timeo;
lock_sock(sk);
TCP_CHECK_TIMER(sk);
flags = msg->msg_flags;
timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);
/* Wait for a connection to finish. */
if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT))
if ((err = sk_stream_wait_connect(sk, &timeo)) != 0)
goto out_err;
/* This should be in poll */
clear_bit(SOCK_ASYNC_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
/* size_goal表示GSO支持的大小，为mss的整数倍，不支持GSO时则和mss相等 */
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);/*返回值mss_now为真实mss*/
/* Ok commence sending. */
iovlen = msg->msg_iovlen;
iov = msg->msg_iov;
copied = 0;
err = -EPIPE;
if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN))
goto out_err;
while (--iovlen >= 0) {
size_t seglen = iov->iov_len;
unsigned char __user *from = iov->iov_base;
iov++;
while (seglen > 0) {
int copy = 0;
int max = size_goal; /*每个skb中填充的数据长度初始化为size_goal*/
/* 从sk->sk_write_queue中取出队尾的skb，因为这个skb可能还没有被填满 */
skb = tcp_write_queue_tail(sk);
if (tcp_send_head(sk)) { /*如果之前还有未发送的数据*/
if (skb->ip_summed == CHECKSUM_NONE) /*比如路由变更，之前的不支持TSO,现在的支持了*/
max = mss_now; /*上一个不支持GSO的skb，继续不支持*/
copy = max - skb->len; /*copy为每次想skb中拷贝的数据长度*/
}
/*copy<=0表示不能合并到之前skb做GSO*/
if (copy <= 0) {
new_segment:
/* Allocate new segment. If the interface is SG,
* allocate skb fitting to single page.
*/
/* 内存不足，需要等待 */
if (!sk_stream_memory_free(sk))
goto wait_for_sndbuf;
/* 分配新的skb */
skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk), sk->sk_allocation);
if (!skb)
goto wait_for_memory;
/*
* Check whether we can use HW checksum.
*/
/*如果硬件支持checksum，则将skb->ip_summed设置为CHECKSUM_PARTIAL，表示由硬件计算校验和*/
if (sk->sk_route_caps & NETIF_F_ALL_CSUM)
skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
/*将skb加入sk->sk_write_queue队尾, 同时去掉skb的TCP_NAGLE_PUSH标记*/
skb_entail(sk, skb);
copy = size_goal; /*这里将每次copy的大小设置为size_goal，即GSO支持的大小*/
max = size_goal;
}
/* Try to append data to the end of skb. */
if (copy > seglen)
copy = seglen;
/* Where to copy to? */
if (skb_tailroom(skb) > 0) { /*如果skb的线性区还有空间，则先填充skb的线性区*/
/* We have some space in skb head. */
if (copy > skb_tailroom(skb))
copy = skb_tailroom(skb);
if ((err = skb_add_data(skb, from, copy)) != 0) /*copy用户态数据到skb线性区*/
goto do_fault;
} else { /*否则尝试向SG的frags中拷贝*/
int merge = 0;
int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;
struct page *page = TCP_PAGE(sk);
int off = TCP_OFF(sk);
if (skb_can_coalesce(skb, i, page, off) && off != PAGE_SIZE) {/*pfrag->page和frags[i-1]是否使用相同页，并且page_offset相同*/
/* We can extend the last page
* fragment. */
merge = 1; /*说明和之前frags中是同一个page，需要merge*/
} else if (i == MAX_SKB_FRAGS || (!i && !(sk->sk_route_caps & NETIF_F_SG))) {
/* Need to add new fragment and cannot
* do this because interface is non-SG,
* or because all the page slots are
* busy. */
/*如果设备不支持SG，或者非线性区frags已经达到最大，则创建新的skb分段*/
tcp_mark_push(tp, skb); /*标记push flag*/
goto new_segment;
} else if (page) {
if (off == PAGE_SIZE) {
put_page(page); /*增加page引用计数*/
TCP_PAGE(sk) = page = NULL;
off = 0;
}
} else
off = 0;
if (copy > PAGE_SIZE - off)
copy = PAGE_SIZE - off;
if (!sk_wmem_schedule(sk, copy))
goto wait_for_memory;
if (!page) {
/* Allocate new cache page. */
if (!(page = sk_stream_alloc_page(sk)))
goto wait_for_memory;
}
err = skb_copy_to_page(sk, from, skb, page, off, copy); /*拷贝数据到page中*/
if (err) {
/* If this page was new, give it to the
* socket so it does not get leaked.
*/
if (!TCP_PAGE(sk)) {
TCP_PAGE(sk) = page;
TCP_OFF(sk) = 0;
}
goto do_error;
}
/* Update the skb. */
if (merge) { /*pfrag和frags[i - 1]是相同的*/
skb_shinfo(skb)->frags[i - 1].size += copy;
} else {
skb_fill_page_desc(skb, i, page, off, copy);
if (TCP_PAGE(sk)) {
get_page(page);
} else if (off + copy < PAGE_SIZE) {
get_page(page);
TCP_PAGE(sk) = page;
}
}
TCP_OFF(sk) = off + copy;
}
if (!copied)
TCP_SKB_CB(skb)->flags &= ~TCPCB_FLAG_PSH;
tp->write_seq += copy;
TCP_SKB_CB(skb)->end_seq += copy;
skb_shinfo(skb)->gso_segs = 0; /*清零tso分段数，让tcp_write_xmit去计算*/
from += copy;
copied += copy;
if ((seglen -= copy) == 0 && iovlen == 0)
goto out;
/* 还有数据没copy，并且没有达到最大可拷贝的大小(注意这里max之前被赋值为size_goal，即GSO支持的大小)，尝试往该skb继续添加数据*/
if (skb->len < max || (flags & MSG_OOB))
continue;
/*下面的逻辑就是：还有数据没copy，但是当前skb已经满了，所以可以发送了(但不是一定要发送)*/
if (forced_push(tp)) { /*超过最大窗口的一半没有设置push了*/
tcp_mark_push(tp, skb); /*设置push标记，更新pushed_seq*/
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH); /*调用tcp_write_xmit马上发送*/
} else if (skb == tcp_send_head(sk)) /*第一个包，直接发送*/
tcp_push_one(sk, mss_now);
continue; /*说明发送队列前面还有skb等待发送，且距离之前push的包还不是非常久*/
wait_for_sndbuf:
set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
if (copied)/*先把copied的发出去再等内存*/
tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
/*阻塞等待内存*/
if ((err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo)) != 0)
goto do_error;
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
}
}
out:
if (copied) /*所有数据都放到发送队列中了，调用tcp_push发送*/
tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle);
TCP_CHECK_TIMER(sk);
release_sock(sk);
return copied;
do_fault:
if (!skb->len) {
tcp_unlink_write_queue(skb, sk);
/* It is the one place in all of TCP, except connection
* reset, where we can be unlinking the send_head.
*/
tcp_check_send_head(sk, skb);
sk_wmem_free_skb(sk, skb);
}
do_error:
if (copied)
goto out;
out_err:
err = sk_stream_error(sk, flags, err);
TCP_CHECK_TIMER(sk);
release_sock(sk);
return err;
}

最终会调用tcp_push发送skb，而tcp_push又会调用tcp_write_xmit。tcp_sendmsg已经把数据按照GSO最大的size，放到一个个的skb中，最终调用tcp_write_xmit发送这些GSO包。tcp_write_xmit会检查当前的拥塞窗口，还有nagle测试，tsq检查来决定是否能发送整个或者部分的skb，如果只能发送一部分，则需要调用tso_fragment做切分。最后通过tcp_transmit_skb发送，如果发送窗口没有达到限制，skb中存放的数据将达到GSO最大值。

l tcp_write_xmit

static int tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle,
int push_one, gfp_t gfp)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
unsigned int tso_segs, sent_pkts;
int cwnd_quota;
int result;
sent_pkts = 0;
if (!push_one) {
/* Do MTU probing. */
result = tcp_mtu_probe(sk);
if (!result) {
return 0;
} else if (result > 0) {
sent_pkts = 1;
}
}
/*遍历发送队列*/
while ((skb = tcp_send_head(sk))) {
unsigned int limit;
tso_segs = tcp_init_tso_segs(sk, skb, mss_now); /*skb->len/mss，重新设置tcp_gso_segs，因为在tcp_sendmsg中被清零了*/
BUG_ON(!tso_segs);
cwnd_quota = tcp_cwnd_test(tp, skb);
if (!cwnd_quota)
break;
if (unlikely(!tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now)))
break;
if (tso_segs == 1) { /*tso_segs=1表示无需tso分段*/
/* 根据nagle算法，计算是否需要推迟发送数据 */
if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now, (tcp_skb_is_last(sk, skb) ? /*last skb就直接发送*/
nonagle : TCP_NAGLE_PUSH))))
break;
} else {/*有多个tso分段*/
if (!push_one /*push所有skb*/
&& tcp_tso_should_defer(sk, skb))/*/如果发送窗口剩余不多，并且预计下一个ack将很快到来(意味着可用窗口会增加)，则推迟发送*/
break;
}
/*下面的逻辑是：不用推迟发送，马上发送的情况*/
limit = mss_now;
/*由于tso_segs被设置为skb->len/mss_now，所以开启gso时一定大于1*/
if (tso_segs > 1 && !tcp_urg_mode(tp)) /*tso分段大于1且非urg模式*/
limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now, cwnd_quota);/*返回当前skb中可以发送的数据大小，通过mss和cwnd*/
/* 当skb的长度大于限制时，需要调用tso_fragment分片,如果分段失败则暂不发送 */
if (skb->len > limit &&
unlikely(tso_fragment(sk, skb, limit, mss_now))) /*/按limit切割成多个skb*/
break;
TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
/*发送，如果包被qdisc丢了，则退出循环，不继续发送了*/
if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp)))
break;
/* Advance the send_head. This one is sent out.
* This call will increment packets_out.
*/
/*更新sk_send_head和packets_out*/
tcp_event_new_data_sent(sk, skb);
tcp_minshall_update(tp, mss_now, skb);
sent_pkts++;
if (push_one)
break;
}
if (likely(sent_pkts)) {
tcp_cwnd_validate(sk);
return 0;
}
return !tp->packets_out && tcp_send_head(sk);
}

其中tcp_init_tso_segs会设置skb的gso信息后文分析。我们看到tcp_write_xmit 会调用tso_fragment进行“tcp分段”。而分段的条件是skb->len > limit。这里的关键就是limit的值，我们看到在tso_segs > 1时，也就是开启gso的时候，limit的值是由tcp_mss_split_point得到的，也就是min(skb->len, window)，即发送窗口允许的最大值。在没有开启gso时limit就是当前的mss。

l tcp_init_tso_segs

static int tcp_init_tso_segs(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, unsigned int mss_now)
{
int tso_segs = tcp_skb_pcount(skb); /*skb_shinfo(skb)->gso_seg之前被初始化为0*/
if (!tso_segs || (tso_segs > 1 && tcp_skb_mss(skb) != mss_now)) {
tcp_set_skb_tso_segs(sk, skb, mss_now);
tso_segs = tcp_skb_pcount(skb);
}
return tso_segs;
}

static void tcp_set_skb_tso_segs(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, unsigned int mss_now)
{
/* Make sure we own this skb before messing gso_size/gso_segs */
WARN_ON_ONCE(skb_cloned(skb));
if (skb->len <= mss_now || !sk_can_gso(sk) ||
skb->ip_summed == CHECKSUM_NONE) {/*不支持gso的情况*/
/* Avoid the costly divide in the normal
* non-TSO case.
*/
skb_shinfo(skb)->gso_segs = 1;
skb_shinfo(skb)->gso_size = 0;
skb_shinfo(skb)->gso_type = 0;
} else {
skb_shinfo(skb)->gso_segs = DIV_ROUND_UP(skb->len, mss_now); /*被设置为skb->len/mss_now*/
skb_shinfo(skb)->gso_size = mss_now; /*注意mss_now为真实的mss，这里保存以供gso分段使用*/
skb_shinfo(skb)->gso_type = sk->sk_gso_type;
}
}

tcp_write_xmit最后会调用ip_queue_xmit发送skb，进入ip层。

ip分片，tcp分段，GSO，TSO

下面我们看下整个协议栈中ip分片，tcp分段，GSO，TSO的关系。原作者将这个流程由下图表示。