网卡Offload

在数据中心，随着单台服务器集成的计算能力的增长，服务器的带宽需求也同步提升，从10M到 100G，数据中心服务器的网络带宽提升速率远大于CPU的计算能力的增长速率。操作系统协议栈需要通过CPU来实现上层数据的封装和解封装，于是CPU的处理能力成为了网络传输能力的瓶颈。

将由CPU处理的数据报文的分段、分片、校验等工作，交给网卡驱动来处理以降低CPU负担的相关技术（这里我们简称为网卡“offload特性”），是一种较好的提升服务器吞吐能力的方案。本文将介绍几种常见的网卡offload特性，以及使用该特性的注意事项。

1.  报文分片/重组相关概念

让我们从报文分片/重组处理相关的概念说起：

MTU （Maximum Transmission Unit） ，最大传输单元，是指数据链路层支持上层协议最大一次传输的数据包大小（以字节为单位）。在以太网协议中缺省定义数据链路层的MTU为1500字节，这里的1500字节是包含IP头20字节在内的总长度，实际IP包中的载荷为1480字节。

TCP协议的MSS（Maximum Segment Size，最大报文长度），存在于TCP头的可选项中，是指在TCP连接建立时，收发双方协商通信时每一个报文段的最大报文长度。通常情况下，MSS小于等于（MTU-IP头长度（20字节）-TCP头长度（20字节））。在TCP通信建立连接时，TCP会取会话两端提供的MSS的最小值作为会话的MSS值。发送TCP报文时，双方会根据协商的MSS将TCP报文分段（Segmentation）。经过TCP分段处理后的IP包长度不会超过网卡的MTU，一般无需在IP层再做分片（Fragmentation）处理。

除了TCP报文有分段机制，其他协议的超大包（超过MTU的报文）基本都是由IP协议做分片处理的。当IP包长度大于数据链路层的MTU，首先根据IP头中的标记字段（Flags）中DF位判断数据包是否允许分片，如果数据包长度超过MTU且不允许分片，则直接被丢弃并向发包方发送错误消息；如果允许分片，则对数据包进行分片处理，保证分片后的每个数据包含IP头长度不超过MTU。分片后的数据包，会重新封装IP头，并在IP头中记录分片信息：

l  在IP头的标识符（Identifier）中对于同一个被分片的数据包打上相同的标记；

l  标记字段（Flags）中标识是否为最后一个分片；

l  记录分段偏移（Fragment Offset），保证分片报文能够被正确重组等。

2.  网卡offload技术

本文所描述的网卡的offload特性，主要思想是将原本由操作系统协议栈进行的TCP分段、IP分片、重组、校验等工作任务，移交给网卡驱动处理，在降低系统CPU消耗的同时，提升服务器的处理性能。从2012年开始，这项技术开始在普通用户的网卡上应用。随着技术的日趋成熟，目前越来越多的网卡设备开始支持offload特性，用以提升网络收发和处理的性能。常见的提升网卡发送/接收速率的offload技术包括 TSO、UFO、GSO、GRO等。

TSO （TCP-Segmentation-Offload）：将TCP分段工作交由网卡驱动执行，该特性需要网卡硬件支持。使能TSO后，操作系统可以将一个不超过64K字节(包含IP头长度和以太头长度在内)的任意大小的TCP报文传给网卡驱动，由网卡驱动层执行TCP分段、Checksum 计算和包头、帧头生成以及封装等工作，这样就消除了TCP分段工作带给CPU的负担。被TCP分段后的每个TCP Segment，都需要封装TCP头，TCP头部中有Checksum（校验和），因此TSO通常需要Checksum Offload支持，即由网卡驱动层同时完成TCP校验工作。

图1 TCP报文头部结构

l  UFO（UDP-Fragmentation-Offload）：TSO针对TCP报文分段处理，UFO将对UDP报文进行IP分片的工作交由网卡驱动层处理。

l  GSO（Generic-Segmentation-Offload）： GSO相对TSO和UFO更为通用，可支持所有协议报文。GSO会首先确认网卡是否支持TSO，如果网卡支持且使能TSO，则将TCP分段交由网卡驱动层处理；否则由GSO在将报文发送给网卡驱动之前执行分片。GSO可以理解为TSO的补充。

l  LRO（Large-Receive-Offload）：在接收网络数据时，网卡驱动层将接收到的TCP Segments在网卡驱动层执行报文重组，将合并后的大包传给操作系统。这样省去CPU在小包重组工作中的开销，提升服务器的接收效率。和TSO一样，LRO也需要网卡设备支持。LRO在做数据和信息合并时，因为收到信息有限，会出现合并后小包报文头中信息丢失等问题。鉴于LRO的局限性，一些网卡已经不再支持LRO。

l  GRO（Generic Receive Offload）：GRO是与GSO相对的接收方特性。GRO不依赖物理网卡，支持更加丰富类型的协议报文。GRO运行在操作系统内核中，在做小包合并时掌握的信息较LRO更多，合并规则也更加严谨，避免了合并后数据信息丢失等问题，GRO已逐渐取代LRO。

3.  常用命令

l  offload状态查询命令：

在Linux操作系统内，可以通过 ethtool -k 端口编号命令来查看网卡offload 选项的状态，如：

#ethtool -k eth0

….

tcp-segmentation-offload: on

              tx-tcp-segmentation: on

              tx-tcp-ecn-segmentation: off [fixed]

udp-fragmentation-offload: off [fixed]

generic-segmentation-offload: on

generic-receive-offload: on

……

l  开启/关闭网卡offload命令

可通过 ethtool -K 端口编号 gso off/on命令，按需使能或去使能网卡的offload功能。如：

#ethtool -k eth0 gso on

注意：修改网卡offload状态后，记得将命令行写入rc.local文件里，避免操作系统重启后，配置失效。

4.  网卡offload使用注意事项

网卡offload功能，对提升服务器转发性能方面功不可没。但是在实际情况中，并不是所有的场景下，都适合使能网卡的offload功能，下面就分享两个案例。

l  案例一：通过LVS（Linux Virtual Server）负载均衡软件提供的VIP向FTP服务器上传文件失败。

经定位分析，出现上传文件失败的情况时，LVS服务器收到大量超过MTU的报文，由于LVS内核模块无法处理大于MTU的数据包，最终导致文件上传失败。在确认服务器的接入交换机侧未发送/接收到大于MTU的报文后，最终定位为LVS服务器网卡使能了GRO功能，LVS服务器侧网卡报文重组后出现大于MTU的数据报文导致问题。在操作系统内去使能GRO功能后，业务正常。

l  案例二：分布式存储服务器物理网卡未使能GRO，聚合口（Bond口）使能GRO，导致上传文件MD5校验失败。

经定位分析，发送端在执行报文分片后，最后一个数据帧长度不足60字节，需要通过补零方式将数据帧长度补足60字节后发送。由于接收服务器侧物理口和聚合口GRO配置不一致，在GRO重组时未删除补零数据，报文重组后数据发生变化，文件损坏。修改物理网卡GRO和聚合口GRO配置一致后问题解决。

5.  综述

通常情况下，网卡Offload功能只要网卡支持，默认都是开启的。网卡Offload功能在提升服务器处理性能方面功不可没，但是在开启offload功能时，要分析服务器业务特性，按需开启。在处理大包导致业务异常等问题时，可以考虑优先排查网卡offload特性配置，如物理网卡和逻辑口（如聚合口）相关offload特性状态配置是否一致等；其次可通过修改offload状态尝试解决问题。

除了借助网卡的Offload特性提升服务器大包处理性能外，诸如RSS（Receive Side Scaling）等网卡驱动技术也在不失为一种不错的选择。在多核系统中，如果服务器网卡支持且使能了RSS，那么网卡将接收到属于同一个TCP连接的数据进程分成多个处理队列，分散给多个处理器或者物理核处理，从而有效提升处理器处理效率。