问题

在开发DPDK应用的时候，我们可以通过rte_eth_stats_get函数获取网卡统计信息中的imissed计数来判断网卡是否出现丢包。


注：对于ixgbe 驱动，则DPDK中 rte_eth_stats_get 调用的是 ixgbe_dev_stats_get；

基础

imiss 的定义

参考：dpdk api eth_stats

Q: imiss 是 网卡的接收队列满吗？还是 ring_buffer 满？
A: 根据上面的定义，是被硬件丢弃，应该是网卡的接收队列满。不应该是 ring_buffer 满，ring_buffer 是内核使用的，应该是一个软件的概念。

Q: imiss 统计是否可以基于队列？
A: imiss统计，是全局的。
ixgbe_dev_stats_get 中的实现如下。

如上：ixgbe 驱动的网卡的 oerror 一直是0。

其他统计

rx-errors/ierrors

ierrors: 表示该数据包存在错误，被网卡丢弃。此时该包不会存在于物理网卡的RX FIFO中，更不会存在于内存中的rte_rx_queue（ring buffer）中。
比如：packets with incorrect checksum, runts, giants etc.

rx-nombuf

rx_nombuf记录在读取数据包时分配mbuf错误的次数，一般情况下不会影响网卡的丢包（imissed、ierrors）。
比如：RX packet was drop due to lack of free mbufs in the mempool.

• 解决
  直接增大mempool的大小。

我的理解

Most drivers interchange their use of the counters rx_missed_errors, rx_fifo_errors, and rx_over_errors, 
but they typically set one or more of these counters to the MPC (missed packet count) counter, which is incremented when a packet arrives and is lost because the card's FIFO queue is full.

FIFO指的是网卡上实现的硬件「先进先出」队列；
整个包收发流程为：[ 网卡硬件 FIFO 队列 ] <---- PCIe Bus —> [ Rx Ring Buffer: host memory ]。
对应的丢包计数有两个：
一个是 Missed Packet Count，指的是 [ 网卡硬件 FIFO 队列 ] 满了导致的丢包；
一个是 Receive No Buffer Count，指的是 [ Rx Ring Buffer ] 满了导致的丢包。

PCIe版本以及速率

为什么需要Pcie

在电脑里，不同的设备要想交互数据，就必须要经过一定的通道。

• 总线
  总线就是计算机里，用于走数据的“路”。
• 内部总线
  CPU核心和cache缓存交互数据的时候，使用的就是内部总线，这个总线只在CPU内交互数据。
• 外部总线
  但是CPU不可能就自己在那空算数吧，他总要和其他设备交互数据，就需要用到外部总线了，CPU会通过外部总线和其他的设备比如硬盘，网卡，声卡，USB设备沟通，我们这个文章想要介绍的PCI-E就是外部总线的一种。
• pcie的作用
  
  PCI-E既是通道，也是接口，当他以接口形式存在的时候，就是我们主板上那长长的槽。

• pcie 通道
  PCIe用于系统中的不同模块之间的通信。 网络适配器（网卡）需要与CPU和内存（以及其他模块）进行通信。 这意味着为了处理网络流量，应正确配置PCIe为不同设备进行通信。 将网络适配器连接到PCIe时，它将自动协商网络适配器和CPU之间支持的最大功能。
• pcie 接口
  目前的声卡和网卡都是主板集成了，不需要我们额外再插，所以PCI-E接口目前最大的作用就是插显卡，除了显卡还有无线网卡，万兆有线网卡这些高带宽设备，除了这些，PCI-E接口也可以转接成很多接口，比如USB3.0，Type-c。
  

pcie属性之宽度

PCIe宽度确定设备可以并行使用以进行通信的PCIe通道数。 宽度标记为xA，其中A是通道数（例如8通道为x8）。
Mellanox适配器支持x8和x16配置，具体取决于它们的类型。

# lspci -s 04:00.0 -vvv | grep Width

LnkCap: Port #0, Speed 8GT/s, Width x8, ASPM not supported, Exit Latency L0s unlimited, L1 unlimited

LnkSta: Speed 8GT/s, Width x8, TrErr- Train- SlotClk+ DLActive- BWMgmt- ABWMgmt-

pcie属性之速度

速度以GT / s表示，表示“每秒十亿笔传输”。
连同PCIe宽度一起，确定最大PCIe带宽（速度*宽度）。
PCIe速度被标识为“generations”，其中2.5GT / s被称为“ gen1”，5GT / s被称为“ gen2”，而8GT / s被称为“ gen3”。

# lspci -s 04:00.0 -vvv | grep PCIeGen

[V0] Vendor specific: PCIeGen3 x8

pcie 速率表

PCIE有不同的规格，通过下图来了解下PCIE的其中2种规格：

• 查看主板上的PCI插槽’

# dmidecode | grep -i "PCI"

• 不同PCIe版本对应的传输速率
  
  传输速率为每秒传输量GT/s，而不是每秒位数Gbps，因为传输量包括开销位； 比如 PCIe 1.x和PCIe 2.x使用8b / 10b编码方案，导致占用了20% （= 2/10）的原始信道带宽。

• GT/s —— Giga transation per second （千兆传输/秒
  即每一秒内传输的次数。重点在于描述物理层通信协议的速率属性，可以不和链路宽度等关联。
• Gbps —— Giga Bits Per Second （千兆位/秒）。
  GT/s 与Gbps 之间不存在成比例的换算关系。
• PCIe 吞吐量（可用带宽）计算方法：
  吞吐量 = 传输速率 * 编码方案
  例如：PCI-e2.0 协议支持 5.0 GT/s，即每一条Lane 上支持每秒钟内传输 5G次；但这并不意味着 PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5Gbps 的速率。
  因为PCIe 2.0 的物理层协议中使用的是 8b/10b 的编码方案。 即每传输8个Bit，需要发送10个Bit；这多出的2个Bit并不是对上层有意义的信息。
  那么， PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5 * 8 / 10 = 4 Gbitps = 500 MB/s 的速率。
  以一个PCIe 2.0 x8的通道为例，x8的可用带宽为 4 * 8 = 32 Gbps = 4 GB/s。

查看 pcie 设备带宽（带宽上限和实际带宽）

lspci -vv | grep -i PCI-ID -A 40

• LnkCap: 链路能力；
  LnkCap 代表的是卡片本身支持的最高速度。
• LnkSta: 链路状态；
  LnkSta 代表是实际跑的的速度, 如果正常应该要和 LnkCap 一样, 才能获得最大的带宽。如果发现 LnkSta 的速度比LnkCap 小, 那就要追一下是不是插槽本身的速度就有限制。

pcie 插槽插入单卡双口/单卡四口网卡

早期的网卡，一个芯片只能处理一个通道，所以，都是单口的。后来，由于总线带宽的提高， 加上芯片性能的提高，所以出现了双口以上的网卡。
其实原因很简单：
PCI槽有限。所以， 单个槽里的网口越多，机器上能接的网卡越多。

所以：Pcie 插槽的带宽 要 大于 单卡两口/多口的带宽之和。

分析

一个网络报文从网卡接收到被应用处理，中间主要需要经历两个阶段：

• 阶段一：网卡通过其DMA硬件将收到的报文写入到收包队列中（入队）

如果入队道路拥塞将会导致报文无法入队（入队）

• 阶段二：应用从收包队列中读取报文（出队）

如果出队慢将导致队列溢出（出队）

注：DMA是硬件，目的将数据包从网卡送到操作系统（ring buffer)，期间不需要CPU的参与，节省了CPU。

网卡初始化与收包

整体流程

• DPDK对数据包的处理流程
  

物理网卡监听物理链路上的信息号，解析得到数据包，并将其存放在物理网卡上的RX FIFO中(Rx fifo : 网卡的内存)；
物理网卡上的DMA将数据包写入到内存(系统内存)中的 rte_rx_queue(ring buffer)；
应用程序通过PMD的形式轮询从rte_rx_queue读取数据包。

收包队列的构造

下面以ixgbe网卡在dpdk框架下工作为例，分别介绍下收包队列的构造、启动和收包三个流程。

收包队列的构造主要是通过调用网卡队列设置函数rte_eth_rx_queue_setup（dpdk rte_ethdev.h）来完成。

收包队列的结构体为ixgbe_rx_queue，该结构体里包含两个重要的环形队列rx_ring和sw_ring，rx_ring和sw_ring的关系可以简单如下：

rx_ring
主要存储报文数据的物理地址，物理地址供网卡DMA使用，也称为DMA地址（硬件使用物理地址，将报文copy到报文物理位置上）。

sw_ring
sw_ring主要存储报文数据的虚拟地址，虚拟地址供应用使用（软件使用虚拟地址，读取报文）。

其中，报文数据的物理地址可以由报文数据的虚拟地址转化得到。

rx_ring

rx_ring是由一个动态申请的数组构建的环形队列，队列的元素是ixgbe_adv_rx_desc类型，队列的长度为（4096+4-1）。

pkt_addr：报文数据的物理地址，网卡DMA将报文数据通过该物理地址写入对应的内存空间。

hdr_addr：报文的头信息。
注：status_error的最后一个bit也对应DD位。

DD位（Descriptor Done Status）用于标志标识一个描述符buf是否可用。

• 放入队列
  网卡每次来了新的数据包，就检查rx_ring当前这个buf的DD位是否为0，如果为0那么表示当前buf可以使用，就让DMA将数据包copy到这个buf中，然后设置DD为1。如果为1，即最上面的buf都不可用，那么网卡就认为rx_ring队列满了，直接会将这个包给丢弃掉，记录一次imiss。（0->1）
• 从队列中取
  对于应用而言，DD位使用恰恰相反，在读取数据包时，先检查DD位是否为1，如果为1，表示网卡已经把数据包放到了内存中，可以读取，读取完后，再放入一个新的buf并把对应DD位设置为0。如果为0，就表示没有数据包可读。（1->0）

sw_ring

sw_ring是由一个动态申请的数组构建的环形队列，队列的元素是ixgbe_rx_entry类型，队列的大小可配，一般最大可配4096。

mbuf：报文mbuf结构指针，mbuf用于管理一个报文，主要包含报文相关信息和报文数据。

网卡启动

收包队列的启动主要是通过调用 rte_eth_dev_start（dpdk rte_ethdev.h）函数完成，收包队列初始化的核心流程如下。

循环从mbuf pool中申请mbuf，从mbuf中得到报文数据对应的物理地址，物理地址存入rx_ring中，mbuf指针存入sw_ring中。其中通过rxd->read.hdr_addr = 0，完成了DD位设置为0。

收包流程

收包由网卡入队和应用出队两个操作完成。

1、网卡使用DMA写Rx FIFO中的Frame到Rx Ring Buffer中的mbuf，设置desc的DD为1;
2、网卡驱动取走mbuf后，设置desc的DD为0;

入队

入队的操作是由网卡DMA来完成的。

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是系统和网卡（外设）打交道的一种方式，该种方式允许在网卡（外部设备）和系统内存之间通过PCIe总线直接读写数据，这样能有效减轻CPU的工作。

网卡收到报文后，先存于网卡本地的buffer-Rx（Rx FIFO）中，然后由DMA通过PCI总线将报文数据写入操作系统的内存中，即数据报文完成入队操作。（PS：PCIe总线可能成为网卡带宽的瓶颈）

出队

应用调用rte_eth_rx_burst（dpdk rte_ethdev.h）函数开始批量收包，最大收包数量由参数nb_pkts决定（比如设置为64）。其核心流程由ixgbe_recv_pkts（dpdk ixgbe_rxtx.c）实现。

从接口的收包队列rxq->rx_ring 的 rx_tail位置开始收，循环读取一个报文、填空一个报文（空报文数据），读取64个后，重新标记rx_tail的位置，完成出队操作，将收取的报文作返回供应用处理。

入队丢包可能性

入队问题主要集中在PCIe异常“降速”方面。因为报文从网卡到系统是通过DMA经过PCIe总线来传输的，PCIe总线的吞吐将直接影响入队的速率。

pcie 实际带宽和理论带宽不符合

若网口出现imissed，可通过lspci -vv命令查看PCIe理论能力与实际使用是否一致。

情况1：
网口能力是传输速率5GT/s，总线宽带x8（LnkCap），实际使用的是传输速率5GT/s，总线宽带x4（LnkSta）。吞吐能力从4GB/s下降到2GB/s。

情况2：
网口能力是传输速率8GT/s，总线宽带x8（LnkCap），实际使用的是传输速率5GT/s，总线宽带x8（LnkSta）。吞吐能力从7.877GB/s下降到4GB/s。

解决

一般是服务器PCIe插槽与网卡兼容性问题，可以更换网卡或者更换服务器PCIe插槽。如果有条件，可以找服务器厂商从bios等方面进行详细定位解决兼容性问题。

出队丢包可能性

出队问题主要集中在应用程序性能不高、程序设计不优和CPU错误降频等方面。

DPDK程序性能不高

DPDK程序的实际CPU使用率达到100%，不能及时处理队列报文，导致队列报文溢出，持续imissed++，此时出队平均速率是小于入队平均速率。

解决

inux系统下可以使用perf性能分析工具，做热点函数分析，perf安装命令yum install perf。perf常用的热点函数定位命令如下：

• 进程级：perf top -p
• 线程级：perf top -t

线程tid可以通过pidstat -t -p 或者 top -p PID -H 获取。

DPDK程序设计不优

DPDK程序的实际CPU使用率没有达到100%，但依然偶尔会丢包，断续imissed++。一般这是因为出队速率抖动引发溢出，即出队最低速率小于入队平均速率，而收包队列的规格（几K）不足以缓存拥塞的报文。

解决

偶尔丢包有时不容易从热点函数中发现，需要分析代码流程进行调优。
比如：某个报文会触发密集cpu计算，需要更长处理时间，如收到fin报文流结束，对流内容进行复杂处理。针对这种情况，我们可以从以下两个方面进行调优：

• 异步处理
  将复杂处理由同步处理(Run-to-completion)改为异步处理(Pipeline)，降低抖动。
• 加软队列
  增加一级容量更大的软队列，缓存抖动（一般业务有按规则分发的需要也需要构建一级软队列，软队列可能会或多或少增加报文处理的延时）。

CPU错误降频

如果CPU被降频，将直接影响出队性能。

现象

查看系统日志，出现CPU被错误降频。

分析

解决

查看当前的CPU频率 与运行模式

查看cpu的每个core的频率：

如果当前运行在powersave模式下，可以将其修改为performance，提升CPU频率。

cpupower frequency-set -g performance。

总结

出现 imiss，主要是由于 数据包被硬件丢弃。可能性分析如下：

• 入队慢：
  pci-e 实际带宽慢。
• 出队慢：
  1》程序性能不行；
  2》程序设计缺陷；
  3》cpu降频

参考

https://mp.weixin.qq.com/s/jM7R-LXsLWbGqqXLlowxSw