計(jì)算機(jī)硬件-網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)卡

網(wǎng)卡如下 :

想起網(wǎng)卡就想起了零拷貝 , 軟件開(kāi)發(fā)中常常遇到 ,例如 MQ 中 ,例如 Nginx 中 .

首先，什么是“零拷貝”？

“零拷貝”的目標(biāo)，顧名思義，就是盡量減少甚至完全避免數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的不必要的復(fù)制次數(shù)。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸（比如從硬盤(pán)讀取文件并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送）中，數(shù)據(jù)需要經(jīng)歷多次復(fù)制和上下文切換：

從硬盤(pán)到內(nèi)核緩沖區(qū)：操作系統(tǒng)從硬盤(pán)讀取文件數(shù)據(jù)，復(fù)制到內(nèi)核空間的頁(yè)面緩存。
從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)：應(yīng)用程序（例如一個(gè)Web服務(wù)器）需要處理這些數(shù)據(jù)，于是數(shù)據(jù)被從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間的應(yīng)用程序緩沖區(qū)。
從用戶緩沖區(qū)到內(nèi)核Socket緩沖區(qū)：應(yīng)用程序準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)又被復(fù)制回內(nèi)核空間的Socket緩沖區(qū)。
從Socket緩沖區(qū)到網(wǎng)卡：最后，數(shù)據(jù)從Socket緩沖區(qū)復(fù)制到網(wǎng)卡，最終發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)被復(fù)制了4次，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間也發(fā)生了4次上下文切換，CPU需要親自處理所有這些復(fù)制工作，開(kāi)銷巨大。

那么，“零拷貝”和“網(wǎng)卡”是如何結(jié)合的呢？

“零拷貝”技術(shù)通過(guò)以下方式，巧妙地利用了網(wǎng)卡和操作系統(tǒng)的能力，來(lái)繞過(guò)這些昂貴的復(fù)制操作：

關(guān)鍵機(jī)制：DMA 和內(nèi)存映射

DMA：
- 無(wú)論是傳統(tǒng)方式還是零拷貝，數(shù)據(jù)從硬盤(pán)到內(nèi)存，以及從內(nèi)存到網(wǎng)卡的最后一步，通常都由一個(gè)叫 DMA 的硬件來(lái)負(fù)責(zé)。
- DMA允許硬盤(pán)、網(wǎng)卡等外設(shè)不經(jīng)過(guò)CPU，直接與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。這就已經(jīng)把CPU從兩次復(fù)制工作中解放出來(lái)了。
零拷貝的核心技術(shù)（如 sendfile）：
- 操作系統(tǒng)提供了像 sendfile() 這樣的系統(tǒng)調(diào)用。
- 當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送一個(gè)文件時(shí)，它調(diào)用 sendfile()，告訴內(nèi)核源文件（在硬盤(pán)）和目標(biāo)Socket。
- 內(nèi)核會(huì)進(jìn)行如下優(yōu)化：
  - 內(nèi)存映射：內(nèi)核將存放文件數(shù)據(jù)的內(nèi)核緩沖區(qū)與網(wǎng)卡的Socket緩沖區(qū)進(jìn)行映射，讓它們指向同一塊物理內(nèi)存。
  - 直接傳輸：然后，內(nèi)核直接指示網(wǎng)卡，從這塊被映射的內(nèi)存區(qū)域讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送。
  - CPU不參與數(shù)據(jù)復(fù)制：在整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)沒(méi)有被復(fù)制到用戶空間，也沒(méi)有在內(nèi)核空間內(nèi)來(lái)回復(fù)制。CPU只需要下達(dá)指令，而無(wú)需親自搬運(yùn)數(shù)據(jù)。