TCP Segment Offload(TSO)的實現原理淺析

早上太燥熱，突然想起三周前有人跟我交流了TSO的問題，我也描述了其原理，這個原理說來也是特別簡單，無非就是靠網卡硬件來分段，計算 checksum，從而解放CPU周期。其實只要說一個就夠了，既然靠硬件來分段，那么只能由硬件來計算checksum了，因為你根本就不知道硬件的分 段細節，所以你也沒法在分段前計算好每一個段的checksum....
       TSO的原理幾乎每個人都知道，事實上它是怎么實現的這個問題也不難，難的是細節。在做完了正事之后，我想把這個原理展現出來，當然可能和實際的實現有超級大的出入，不管怎樣，它是一個原理框圖，仔細觀察，應該也能自己實現一個比我這個更好的TSO了。
       這個設計是一個數字邏輯，時序電路的范疇，而這個領域十分地高大上，并不是普通的軟件程序員能hold住的，像我這樣的半瓶子也一樣。所以我依然是按照老 樣子，試圖直接給出一個結果，而不是要求聽書的人事先做一些準備，往往在人們做這些準備工作的時候，就已經厭倦放棄了。
       基礎知識不難，就是一些門電路，與門，非門，比較器，譯碼器，觸發器之類的，這些東西隨便找一本計算機組成原理，都很齊全。關鍵是怎么組合它們，這是另一 個領域的編程。此時，我想起了15年前我的高中物理老濕劉丹青在講電路的時候說過的一句話：讓電流流一下。這句話在科班人看來完全不符合電路設計的基本原 則，他們可能更傾向于首先建模，然后分析，然后使用描述語言VHDL寫出代碼，最后再給出電路，我覺得這適合于設計本身，但是不適合于對一個門外漢講述其 精彩。對于一個門外漢來講，他唯一所知道的就是，讓電流流一下，然后沖過這個門，沖過那個管，好了，高電平變成低電平了....在我看來，就是這么回事。
       在一張白紙上，畫出一堆的門電路，然后隨性隨意組合它們，慢慢的，我突然發現，這個電路就是TSO的框架了。我記得上周幫人固化了路由轉發表，然而那種固 化行為可能會因為成本過高而被pass掉，畢竟如今的軟實現已經夠用了吧。所以只有核心傳輸網才需要這種固化的轉發表，然而TSO卻是服務器領域的首推， 服務器太多了，遠比核心轉發設備多，它們的CPU需要減負，確實，CPU去計算一些固定模式的東西，有點浪費，它應該花更多的精力去處理一些不可控的東 西。所以TCP分段這種事情自然而然就由網卡代勞了。你，我，他，我們都遇到過TSO，但是我們只會開啟，關閉它，如果你想知道它到底是怎么 Offload的，請看下圖，讓電流流一流：


TCP分段和IP分片的區別很大，這個事你一定要明白。然后才可以看懂上面的圖。
       以上的解析只是一個特例，事實上，所有的硬件加速機制無非都是一樣的機制。當我在看Intel千兆/萬兆網卡的手冊時，我想到在芯片的內部，這種電路的元 件幾乎是海量的，實現了RSS，硬件hash分類等。這就是我所謂的江河泛濫，沿著溝壑瞬間吞噬大地，我們該如何挖溝填壑，這不是本文的目的，本文只是描 述了這種可能性。這也是這種專用電路和通用CPU之間的本質區別。CPU存在著一個指令集，這意味著它是關注于外部如何調用的，而專用電路的關注點在于內 部的執行邏輯，它幾乎不對外提供任何接口，唯一的就是設置幾個寄存器的值，比如MTU，數據包長度，數據包頭長度等，其它的執行邏輯，外部無權過問。這是 串行編程和并行執行的本質區別。
       對于指令系統，也有一些要說的。在內部控制邏輯上，有一個統一的指令分發系統，實際上就是發射出一系列的0和1的組合，這個組合中的0和1作用于各種門電 路，這些門電路接受了這些不同的輸入后，產生不同的輸出，然后再作為另外的門電路的輸入，造成不同的輸出，如此反復...難道事實不是這樣子嗎？你很難否 則定。
       讓電流流一流，如果你覺得比較抽象，那就觀察洪水泛濫的過程吧，大河決堤的地點不同，造成的災難也不同，關鍵在于決堤處的地勢以及其所連接的各種地形，這 一切都是同時發生的，和電流一樣，水流在經過一個彎道或者一道拱橋的時候，也會有一些延時和分流，這就可以類比電路中的各種門。
       吃飯了，吃飯了，真煩！