Netmap分析（一）

工作原理

Netmap是基于零拷贝思想的高速网络I/O架构，它能够在千兆或万兆网卡上达到网卡的线速收发包速率。并且能够有效地节省cpu等计算机资源。

零拷贝(zero-copy)是指主机、路由器等设备与网卡交互时，CPU不需要将数据从和个内存区域拷贝到另一个内存区域。零拷贝通过减少数据拷贝或共享总线操作次数，消除通信数据的不必要的拷贝过程，能够有效地提高通信效率、节省存储空间和处理时间。因此，零拷贝技术在高速网络数据处理领域有着广泛的应用。

网卡通过循环队列（即NIC环）来管理数据包的传输，每个网卡至少维护一对NIC环，分别用以管理发送和接收两个方向的数据包。每一个环被划分为很多槽，每一个槽都包含存储数据包的缓冲区的信息：缓冲区长度、缓冲区的物理地址等。在通常情况下，主机网络堆栈可以访问NIC环上指定的槽，也就可以访问到存放数据包的缓冲区，实现数据包的发送和接收。

网卡所管理的内存空间是内核空间，运行在用户态的应用程序正常情况下无权访问内核空间，因此，需要进行从内核空间到用户空间的拷贝，零拷贝就是减少或消除这种拷贝，如直接缓存访问（direct buffer access)。DBA为了节省内核态和用户态之间的拷贝，可以将应用程序直接跑在内核态，如内核态的Click。也可以选择将内核中的数据包缓存区直接暴露给用户态程序，如PF_RING和Linux的PACKET_MMAP。

 

 

 

netmap也是一个基于零拷贝思想的高速网络I/O架构，netmap的架构如上图所示。当网卡运行在netmap模式下，NIC环会与主机协议栈进行断开，netmap会拷贝一份NIC环，被称作netmap环。同时，netmap还会维护一对环，用于与主机协议栈进行交互。这些环所指向的用于存储数据包内容的缓存位于共享空间，网卡直接将数据包存入这些缓存。应用程序可以通过调用netmap API访问netmap环中的数据包内容，也就可以访问用于存储数据包的缓存，也就是说，当应用程序需要访问数据包内容时，无需从内核空间到用户空间的拷贝，可以直接访问，从而实现了网络数据包的零拷贝。此外，netmap并不会将网卡寄存器和内核的关键内存区域暴露给应用程序，因而用户态的应用程序并不会导致操作系统崩溃，所以相对一些其他的零拷贝架构，netmap更为安全。

netmap还会通过以下几种手段来增加网络I/O的速度：1）预分配固定大小的数据包存储空间，以消除每个数据包存储时动态分配内存所导致的系统开销；2）让用户态程序直接访问到网络数据包缓冲区，以减少数据拷贝的开销；3）使用一个轻量级的元数据表示，以屏蔽硬件相关的一些特性。该元数据表示支持在一次系统调用中处理大量数据包，从而可以减少系统调用的开销。以发包速度为例，netmap可以在900MHz单核CPU上处理10G以太网的线速（14.88Mpps）。