Dirección de paquetes de red multinúcleo

El escalado del lado de recepción (RSS) es una técnica con soporte de hardware que aprovecha una tabla de indirección indexada por los últimos bits del resultado proporcionado por una función hash , tomando como entrada los campos de encabezado de los paquetes. La entrada de la función hash suele ser personalizable y los campos de encabezado utilizados pueden variar según el caso de uso y las implementaciones. Algunos ejemplos notables de campos de encabezado elegidos como claves para el hash son las direcciones IP de origen y destino de la capa 3, el protocolo y los puertos de origen y destino de la capa 4. De esta forma, los paquetes correspondientes al mismo flujo se dirigirán a la misma cola de recepción, sin perder el orden original, lo que provocaría una entrega fuera de orden . Además, todos los flujos entrantes se equilibrarán en todos los núcleos disponibles gracias a las propiedades de la función hash. ^{[ 5 ]} Otra característica importante introducida por la tabla de indirección es la capacidad de cambiar la asignación de flujos a los núcleos sin tener que cambiar la función hash, sino simplemente actualizando las entradas de la tabla. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 4 ] [ 11 ]}

El Accelerated Receive Flow Steering (aRFS) es otra técnica con soporte de hardware, nacida con la idea de aprovechar la localidad de caché para mejorar el rendimiento enrutando los flujos de paquetes entrantes a núcleos específicos. A diferencia de RSS, que es una implementación de hardware totalmente independiente, aRFS necesita interactuar con el software (el kernel ) para funcionar correctamente. ^{[ 12 ]} RSS simplemente equilibra la carga del tráfico entrante entre los núcleos; sin embargo, si un flujo de paquetes se dirige al núcleo i (como resultado de la función hash) mientras que la aplicación que necesita el paquete recibido se ejecuta en el núcleo j , se podrían evitar muchos fallos de caché simplemente forzando i=j , de modo que los paquetes se reciban exactamente donde se necesitan y se consumen. ^{[ 8 ]} Para hacer esto, aRFS no reenvía los paquetes directamente desde el resultado de la función hash, sino que utilizando una tabla de enrutamiento configurable (que puede ser llenada y actualizada, por ejemplo, por el planificador a través de una API ) los flujos de paquetes se pueden dirigir al núcleo consumidor específico. ^{[ 8 ] [ 7 ]}

El direccionamiento de paquetes recibidos (RPS) es el equivalente a RSS implementado en software. Todos los paquetes recibidos por la NIC se distribuyen mediante balanceo de carga entre las colas de los núcleos mediante la implementación de una función hash que utiliza como clave configurable los campos de la cabecera (como la IP de origen y destino de la capa 3 y los puertos de origen y destino de la capa 4), de la misma manera que lo hace RSS. Además, gracias a las propiedades hash, los paquetes pertenecientes al mismo flujo siempre se dirigirán al mismo núcleo. ^{[ 15 ]} Esto se suele hacer en el kernel, justo después del controlador de la NIC. Tras gestionar la interrupción de red y antes de que pueda procesarse, el paquete se envía a la cola de recepción de un núcleo, que luego recibe una notificación mediante una interrupción entre procesos. ^{[ 14 ]} RPS puede utilizarse junto con RSS, en caso de que el número de colas gestionadas por el hardware sea inferior al número de núcleos. En este caso, después de haber distribuido los paquetes entrantes entre las colas RSS, se puede asignar un grupo de núcleos a cada cola y se utilizará RPS para distribuir nuevamente los flujos entrantes entre el grupo especificado. ^{[ 13 ]}

El enrutamiento de flujo de recepción (RFS) mejora el RPS en la misma dirección que la solución de hardware aRFS. Al enrutar los flujos de paquetes al mismo núcleo de CPU que ejecuta la aplicación consumidora, se puede mejorar y aprovechar la localidad de la caché, evitando muchos fallos y reduciendo las latencias introducidas por la recuperación de los datos de la memoria central . ^{[ 17 ]} Para ello, después de haber calculado el hash de los campos de encabezado para el paquete actual, el resultado se utiliza para indexar una tabla de búsqueda. Esta tabla es administrada por el planificador, que actualiza sus entradas cuando los procesos de la aplicación se mueven entre los núcleos. ^{[ 18 ]} La distribución general de la carga de la CPU está equilibrada siempre que las aplicaciones en el espacio de usuario estén distribuidas uniformemente entre los múltiples núcleos. ^{[ 16 ] [ 18 ]}

Transmit Packet Steering (XPS) es un protocolo de transmisión, a diferencia de los demás mencionados hasta ahora. Cuando los paquetes necesitan cargarse en una de las colas de transmisión expuestas por la NIC, existen muchas optimizaciones posibles. ^{[ 19 ]} Por ejemplo, si se asignan varias colas de transmisión a un solo núcleo, se podría usar una función hash para equilibrar la carga de los paquetes salientes entre las colas (de forma similar a como lo hace RPS en la recepción). Además, para mejorar la localidad de caché y la tasa de aciertos (de forma similar a como lo hace RFS), XPS garantiza que las aplicaciones que producen el tráfico saliente y se ejecutan en el núcleo i favorecerán las colas de transmisión asociadas con el mismo núcleo i . Esto reduce la sobrecarga de los protocolos de comunicación entre núcleos y coherencia de caché, lo que resulta en un mejor rendimiento en entornos de carga pesada. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 2 ]}