Linux TSO (TCP Segmentation Offload) 實現原理：網卡硬體分段降低 CPU 負載

TSO 讓網卡硬體接管 TCP 分段重組，CPU 僅需提交大塊資料 (如 64KB)，網卡依 MTU 自動切割成多個 MSS 大小的 TCP 封包並補齊標頭。本文從數位邏輯電路角度，描述 TSO 硬體引擎的核心模組：封包緩衝、序號產生器、檢核和計算、標頭模板引擎、DMA 搬移控制器。

TSO 硬體處理流程

1. 驅動程式提交：skb (socket buffer) 標記 TSO 標誌，含完整 TCP 負載 (≤ 64KB)、模板標頭 (IP/TCP 固定欄位)。
2. 分段引擎：依 MSS 計算分段數，啟動計數器。
3. 序號產生器：每段遞增 MSS 位元組數。
4. 標頭模板引擎：複製模板 → 更新 IP 總長度、TCP 序號、Flags (PSH/ACK)、檢核和。
5. 檢核和計算器：硬體並行計算 IP/TCP 檢核和 (含偽標頭)。
6. DMA 搬移：將完成的封包搬移至 TX 環形緩衝，觸發發送。

關鍵電路模組

• 比較器/譯碼器：判斷剩餘負載是否 ≥ MSS。
• 加法器/累加器：序號遞增、IP ID 遞增。
• 多工器：選擇模板欄位或動態計算欄位。
• 觸發器/狀態機：控制分段循環 (IDLE → SEG_BUILD → CHKSUM → DMA → NEXT)。

驅動程式協作 (Linux Kernel)

// skb 準備
skb_shinfo(skb)->gso_size = mss;      // 設定分段大小
skb_shinfo(skb)->gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;    // 硬體計算檢核和

// 網卡驅動 xmit
netdev_start_xmit(skb, dev) {
    if (skb_is_gso(skb))
        hw_tso_segment(skb);   // 觸發硬體 TSO 引擎
}

效能效益

• CPU 循環減少 90%+ (大封包場景)。
• 記憶體頻寬降低 (少建立 skb 結構體)。
• 中斷次數減少 (單次 DMA 完成多封包)。

TSO 是現代高速網卡 (10GbE+) 的標配功能，配合 LRO (Large Receive Offload) 實現雙向卸載。