TCP/IP 全卸載中的 LSO（Large Send Offload） 和 LRO（Large Receive Offload） 是網卡硬件加速技術，其核心目標是 將 TCP/IP 協議棧的處理任務從 CPU 轉移到網卡硬件，從而大幅降低 CPU 負載并提升網絡性能。以下是詳細解釋：
1. LSO（Large Send Offload）發送端卸載
- 問題背景：
當應用程序發送大量數據時（例如 64KB 文件），操作系統需要將數據拆分成多個 MTU 大小（如 1500B）的 TCP 分段。傳統方式由 CPU 完成分片、封裝 TCP/IP 頭部，消耗大量 CPU 資源。 - LSO 工作原理：
- 操作系統將 完整的大數據塊（如 64KB） 直接傳遞給網卡驅動。
- 網卡硬件自動完成：
- 將大數據塊按 MTU 拆分成小分段。
- 為每個分段生成 TCP/IP 頭部（序列號、校驗和等）。
- 僅通過一次 DMA 請求獲取數據，減少 PCIe 交互次數。
- 性能收益：
- CPU 開銷降低 90%+（例如發送 64KB 數據，CPU 中斷次數從 40+ 次減少到 1 次）。
- 吞吐量提升：100GbE 網卡可達 94 Gbps（接近線速）。
2. LRO（Large Receive Offload）接收端卸載
- 問題背景：
接收大量 TCP 分段時，CPU 需逐個重組數據包、驗證校驗和，導致高中斷頻率和延遲。 - LRO 工作原理：
- 網卡硬件在接收端緩存 屬于同一 TCP 流的分段。
- 將多個分段合并為 單個大數據包（例如將 50 個 1500B 包合并為 75KB）。
- 僅向 CPU 提交合并后的數據包，減少中斷次數。
- 性能收益：
- CPU 中斷頻率降低 10–50 倍（取決于數據流特征）。
- 延遲降低：小包處理延遲從 20μs 降至 5μs。
3. 全卸載技術棧（完整 TCP/IP 卸載）
現代智能網卡（如 NVIDIA ConnectX）進一步擴展了卸載范圍：
| 卸載功能 | 說明 | 硬件實現效果 |
|---|---|---|
| TCP 校驗和 | 網卡計算 IPv4/IPv6/TCP/UDP 校驗和 | 消除 CPU 校驗計算開銷 |
| TSO（TCP Segmentation Offload） | LSO 的增強版，支持 IPv6/VLAN | 大文件傳輸零 CPU 干預 |
| RSS（Receive Side Scaling） | 多隊列分流到不同 CPU 核心 | 避免單核瓶頸，提升并行性 |
| VXLAN/GENEVE 封裝卸載 | 覆蓋網絡隧道封裝/解封裝 | 虛擬化網絡性能無損 |
4. 性能對比（啟用 vs 禁用卸載）
以 100GbE 網絡傳輸 64KB 數據 為例：
| 指標 | 禁用卸載（傳統 CPU 處理） | 啟用 LSO/LRO（硬件卸載） |
|---|---|---|
| CPU 占用率 | 80% (8 核心滿載) | 8% (單核輕度負載) |
| 中斷次數 | 43 次（發送+接收） | 2 次（發送 1 次 + 接收 1 次） |
| 有效吞吐量 | ≤ 40 Gbps | 94 Gbps |
| 延遲（P99） | 50μs | 8μs |
5. 技術限制與注意事項
- 兼容性問題：
- 某些防火墻/IDS 可能因 LRO 合并數據包而丟失原始包信息（需調整配置）。
- 適用場景：
- 適用：大數據傳輸（視頻流、文件傳輸）、高吞吐場景。
- 不適用：低延遲交易系統（需禁用 LRO 避免合并引入延遲）。
- 演進技術：
- GRO（Generic Receive Offload）：Linux 內核的軟件級 LRO 替代方案，更靈活但效率低于硬件 LRO。
- USO（UDP Segmentation Offload）：針對 UDP 的類似優化（如 NVIDIA ConnectX-6 以上支持）。
英偉達網卡的實現優勢
以 ConnectX-7 為例：
- 硬件加速引擎：內置 FlexParser? 技術，可卸載包括 TCP、VXLAN、TLS 在內的復雜協議。
- 動態負載均衡：結合 RSS + Flow Steering，自動分配流量到多核 CPU。
- RoCE 集成：LSO/LRO 與 RDMA 協同工作，實現 端到端零拷貝（例如 GPU Direct RDMA）。
💡 總結：LSO/LRO 是智能網卡的核心卸載技術，通過 硬件替代 CPU 處理網絡協議分片/重組，徹底釋放 CPU 算力，使 100GbE/400GbE 網絡的性能瓶頸從 CPU 轉移到物理鏈路本身。
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