Linux 7.0 內(nèi)核現(xiàn)已正式發(fā)布，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員而言，這是多年來(lái)影響最為深遠(yuǎn)的一次版本更新。

Linux 內(nèi)核是 Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版的核心組成部分，被廣泛應(yīng)用于云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)底層。盡管 7.0 這個(gè)版本號(hào)看起來(lái)是一次重大跨越，但 Linux 創(chuàng)始人 Linus Torvalds 在確定主版本號(hào)時(shí)并沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)律，通常是在上一個(gè)系列的子版本號(hào)積累過(guò)高之后，才會(huì)比較隨意地升級(jí)到新的主版本號(hào)。

對(duì)此 Torvalds 解釋道："我們之所以換了一個(gè)新的主版本號(hào)，純粹是因?yàn)槲胰菀赘慊?、不擅長(zhǎng)處理大數(shù)字。"

盡管如此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，Linux 7.0 包含了一系列值得關(guān)注的重要增強(qiáng)功能，主要包括以下幾點(diǎn)：

精準(zhǔn)顯式擁塞通知（AccECN）成為默認(rèn)配置

UDP 性能大幅提升

IPv6 功能增強(qiáng)

CAKE MQ（Common Applications Kept Enhanced）網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器集成

AccECN 正式成為默認(rèn)配置

AccECN 支持現(xiàn)已默認(rèn)集成于 Linux 中，旨在提供更優(yōu)質(zhì)的 TCP 擁塞處理能力。

在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，路由器傳統(tǒng)上通過(guò)丟包來(lái)響應(yīng)，迫使發(fā)送方檢測(cè)到丟失后主動(dòng)降速。2001 年，顯式擁塞通知（ECN）機(jī)制對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，允許路由器在不丟包的情況下發(fā)出擁塞信號(hào)，從而減少重傳次數(shù)，并為視頻流媒體等高帶寬應(yīng)用提供更流暢的性能表現(xiàn)。

然而，現(xiàn)有的 ECN 機(jī)制過(guò)于粗糙，AccECN 正是為解決這一問(wèn)題而生。IETF 的 AccECN 草案規(guī)范指出："ECN 最初在 TCP 中的設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致每個(gè)往返時(shí)延（RTT）內(nèi)只能傳輸一個(gè)反饋信號(hào)。"

這對(duì)于基礎(chǔ)擁塞控制已經(jīng)足夠，但現(xiàn)代高速協(xié)議需要知道擁塞程度究竟有多嚴(yán)重，而不僅僅是擁塞是否發(fā)生。AccECN 在此基礎(chǔ)上大幅延伸。傳統(tǒng) ECN 只告訴發(fā)送方"發(fā)生了擁塞"，而 AccECN 能精確告知擁塞的具體程度。這一區(qū)別使發(fā)送方可以精細(xì)調(diào)整響應(yīng)策略，而不是一遇到問(wèn)題就簡(jiǎn)單降速。

UDP 性能顯著提升

此次獲得性能提升的不只是 TCP 流量。

Linux 7.0 內(nèi)核對(duì)網(wǎng)絡(luò)棧的計(jì)時(shí)機(jī)制進(jìn)行了重要優(yōu)化，專門針對(duì)高速 UDP 流量中存在的性能瓶頸進(jìn)行了改進(jìn)。

內(nèi)核現(xiàn)在可以降低關(guān)鍵熱路徑上函數(shù)調(diào)用所帶來(lái)的額外開(kāi)銷。這一改動(dòng)尤為重要，因?yàn)榫幾g器通常無(wú)法在內(nèi)核核心與以模塊形式編譯的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)之間自動(dòng)完成此類優(yōu)化。

這項(xiàng)改動(dòng)的實(shí)際效果已由谷歌工程師通過(guò) 100 Gbps 網(wǎng)絡(luò)接口的壓力測(cè)試得到驗(yàn)證，UDP 接收吞吐量提升了 12.3%。

該改進(jìn)源于現(xiàn)代傳輸協(xié)議對(duì)硬件時(shí)間戳的依賴程度不斷提高，在繁忙服務(wù)器上，這一特定代碼路徑每秒觸發(fā)次數(shù)可超過(guò) 1 億次。通過(guò)消除每個(gè)數(shù)據(jù)包的調(diào)用開(kāi)銷，該補(bǔ)丁顯著降低了每包的 CPU 周期數(shù)，使數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)更高的線速處理能力。

CAKE MQ 多隊(duì)列調(diào)度器集成

CAKE（Common Applications Kept Enhanced）是內(nèi)置于 Linux 內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器，負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)接口上的排隊(duì)與發(fā)送方式。

盡管 CAKE 多年來(lái)表現(xiàn)良好，但它始終綁定于單個(gè) CPU 核心。隨著網(wǎng)絡(luò)接口速率不斷提升，單個(gè) CPU 核心已無(wú)法在線速條件下滿足流量整形規(guī)則的執(zhí)行需求。

Linux 7.0 通過(guò)由紅帽工程師開(kāi)發(fā)的新型多隊(duì)列變體 cake_mq 解決了這一問(wèn)題。cake_mq 不再運(yùn)行單一的 CAKE 實(shí)例，而是在接口的每個(gè)硬件隊(duì)列上分別安裝一個(gè) CAKE 實(shí)例，將處理負(fù)載分散到多個(gè) CPU 核心上。

IPv6 功能持續(xù)增強(qiáng)

Linux 長(zhǎng)期以來(lái)支持 IPv6，但隨著運(yùn)營(yíng)商不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，這一領(lǐng)域仍在持續(xù)改進(jìn)之中。

7.0 版本網(wǎng)絡(luò)棧中影響最為顯著的變化之一，是對(duì) IPv6 TCP 輸出路徑進(jìn)行了優(yōu)化，引入了流信息緩存機(jī)制。該更新面向高性能環(huán)境，旨在減少為每個(gè)出站數(shù)據(jù)包重復(fù)計(jì)算流數(shù)據(jù)所帶來(lái)的額外開(kāi)銷。

Linux 7.0 內(nèi)核還修復(fù)了 IPv4 與 IPv6 之間長(zhǎng)期存在的路由不一致問(wèn)題，即所謂的"下一跳設(shè)備不匹配"問(wèn)題。具體而言，Linux 內(nèi)核現(xiàn)在能夠更智能地處理 IPv6 中下一跳通過(guò)非預(yù)期虛擬或物理路徑到達(dá)的情況，不再因下一跳設(shè)備與內(nèi)核路由表規(guī)則不完全匹配而報(bào)錯(cuò)或丟棄連接。

這一下一跳機(jī)制的改進(jìn)旨在防止復(fù)雜軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）環(huán)境及容器網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

目前，Linux 7.0 已正式面向公眾發(fā)布，但各 Linux 發(fā)行版完成采用和全面部署仍需一定時(shí)間。

Q&A

Q1：Linux 7.0 中的 AccECN 和傳統(tǒng) ECN 有什么區(qū)別？

A：傳統(tǒng) ECN 只能告訴發(fā)送方"網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞"，每個(gè)往返時(shí)延內(nèi)僅能傳輸一個(gè)反饋信號(hào)，反饋信息較為粗糙。AccECN 則能精確告知擁塞的具體程度，讓發(fā)送方根據(jù)實(shí)際情況精細(xì)調(diào)整傳輸策略，而不是一遇到擁塞信號(hào)就簡(jiǎn)單降速。這對(duì)現(xiàn)代高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議尤為重要，能更有效地提升傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)利用率。

Q2：Linux 7.0 的 UDP 性能提升了多少？是怎么實(shí)現(xiàn)的？

A：根據(jù)谷歌工程師在 100 Gbps 網(wǎng)絡(luò)接口上進(jìn)行的壓力測(cè)試，Linux 7.0 的 UDP 接收吞吐量提升了 12.3%。這一提升主要來(lái)自對(duì)網(wǎng)絡(luò)棧計(jì)時(shí)機(jī)制的優(yōu)化，通過(guò)減少關(guān)鍵熱路徑上的函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷實(shí)現(xiàn)。在繁忙服務(wù)器上，相關(guān)代碼路徑每秒觸發(fā)超過(guò) 1 億次，消除每個(gè)數(shù)據(jù)包的調(diào)用開(kāi)銷后，CPU 每包處理周期數(shù)顯著下降，線速處理能力因此大幅提高。

Q3：CAKE MQ 解決了什么問(wèn)題？和原來(lái)的 CAKE 有什么不同？

A：原有的 CAKE 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器始終綁定于單個(gè) CPU 核心，隨著網(wǎng)絡(luò)接口速率提升，單核已無(wú)法滿足線速流量整形的需求。Linux 7.0 引入的 cake_mq 是多隊(duì)列變體，由紅帽工程師開(kāi)發(fā)，能在網(wǎng)絡(luò)接口的每個(gè)硬件隊(duì)列上分別運(yùn)行一個(gè) CAKE 實(shí)例，將處理負(fù)載分散到多個(gè) CPU 核心，從而突破單核性能瓶頸，適應(yīng)現(xiàn)代高速網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。