RSS算法的介绍及FPGA实现中的优化设计-天翼云开发者社区

RSS (Receive-side scaling)是一种在智能网卡中广泛使用的算法，它可以在高速网络中同时利用多个CPU内核来处理数据包，在处理接收报文时提供负载均衡，从而避免多个CPU核访问同一个RX队列，消除锁争用，从而允许对接收到的数据包进行可伸缩的处理。
该技术需要通过硬件网卡对接收到的报文进行解析，获取IP地址、协议和端口等五元组信息，通过配置的HASH函数根据五元组信息（或二、三或四元组）计算出HASH值；最后取HASH值的最低有效位（LSB）用于索引间接寻址表RETA（Redirection Table），根据RETA中存储的值将数据报文分配到不同的CPU接收处理。

目前在实现RSS功能时使用的HASH函数通常为Toeplitz hash函数。Toeplitz hash是一种使用Toeplitz矩阵计算Hash值的方法，Toeplitz矩阵的特征是矩阵中每条自左上至右下的斜线上的元素相同。Toeplitz矩阵完全由其第1行和第1列的2n-1个元素确定，除第一行第一列外，其他每个元素都与左上角的元素相同，如下图所示。

微软提出了利用Toeplitz hash进行RSS计算的具体方法。算法1显示了RSS哈希函数的代码。INPUT是报文的5元组信息，随机密钥(RSK)是40字节(320位)；微软也给出了该RSK的具体值，如下图所示。

但在这种RSS计算过程中发现，对于相同连接的双向数据报文经过哈希后得到的 Hash 值是不同的，Hash值的不同会出现2个方向的数据报文分配到不同的接收队列，通过不同的CPU进行处理。让两个CPU核心在同一个连接中处理数据包需要在不同的线程/进程之间共享数据结构，这通常需要用锁来保护，这破坏了RSS的原始好处，也会加重CPU的负载。
随后为了解决这种问题，对称RSS被提出并在智能网卡中广泛使用；在网络应用中,如果同一个连接的双向报文在开启RSS之后被分发到同一个CPU上处理，这种RSS就称为对称RSS。对于需要为连接保存一些信息的网络应用来说，对称RSS对性能提升有很大帮助。例如：{sip: 1.1.1.1, dip: 2.2.2.2, sport: 123, dport: 456}和{sip: 2.2.2.2, dip: 1.1.1.1, sport: 456, dport: 123}经过对称RSS会被分发到相同的接收队列，由同一个CPU进行处理。

实现对称RSS，主要是改变了算法中RSK矩阵的值，如下图所示。

而在FPGA硬件智能网卡RSS功能实现中，有两个需要考虑1）五元组信息如何兼容IPV4和IPV6；2）FPGA RTL实现RSS中，多次的异或操作会造成时序变差的问题。
为了解决这两个问题，我们提出了以下解决方案：
(1) IPV4和IPV6五元组的兼容问题：IPV4的五元组共136位（协议8bit，sip 32bit，dip 32bit，sport 32bit，dport 32bit），而IPV6的五元组共296位（协议8bit，sip 128bit，dip 128bit，sport 32bit，dport 32bit），超过了目前对称RSS算法中支持的最大数据288bit；因此为了让IPV4和IPV6均兼容，我们需要将RSK矩阵进行扩充，变成如下图所示，此时可支持的最大数据位为304bit。

(2) 为了解决多次异或的时序差问题，对RSK矩阵进行分析发现，RSK矩阵是一个16列重复的矩阵，如下图所示；图中根据红色箭头方向可以将RSK矩阵变换成 Toeplitz矩阵（该图只画出了矩阵的前32例），通过分析矩阵可以发现，Toeplitz矩阵每16例就会重复，因此可以根据该特性在FPGA RTL实现中可以对RSK矩阵进行拆分。