概述

　　对于网络的行为，可以简单划分为 3 条路径：1) 发送路径，2) 转发路径，3) 接收路径，而网络性能的优化则可基于这 3 条路径来考虑。由于数据包的转发一般是具备路由功能的设备所关注，在本文中没有叙述，读者如果有兴趣，可以自行学习(在 Linux 内核中，分别使用了基于哈希的路由查找和基于动态 Trie 的路由查找算法)。本文集中于发送路径和接收路径上的优化方法分析，其中的 NAPI 本质上是接收路径上的优化，但因为它在 Linux 的内核出现时间较早，而它也是后续出现的各种优化方法的基础，所以将其单独分析。

　　最为基本的 NAPI

　　NAPI

　　NAPI 的核心在于：在一个繁忙网络，每次有网络数据包到达时，不需要都引发中断，因为高频率的中断可能会影响系统的整体效率，假象一个场景，我们此时使用标准的 100M 网卡，可能实际达到的接收速率为 80MBits/s，而此时数据包平均长度为 1500Bytes，则每秒产生的中断数目为：

　　80M bits/s / (8 Bits/Byte * 1500 Byte) = 6667 个中断 /s

　　每秒 6667 个中断，对于系统是个很大的压力，此时其实可以转为使用轮询 (polling) 来处理，而不是中断;但轮询在网络流量较小的时没有效率，因此低流量时，基于中断的方式则比较合适，这就是 NAPI 出现的原因，在低流量时候使用中断接收数据包，而在高流量时候则使用基于轮询的方式接收。

　　现在内核中 NIC 基本上已经全部支持 NAPI 功能，由前面的叙述可知，NAPI 适合处理高速率数据包的处理，而带来的好处则是：

　　中断缓和 (Interrupt mitigation)，由上面的例子可以看到，在高流量下，网卡产生的中断可能达到每秒几千次，而如果每次中断都需要系统来处理，是一个很大的压力，而 NAPI 使用轮询时是禁止了网卡的接收中断的，这样会减小系统处理中断的压力

　　数据包节流 (Packet throttling)，NAPI 之前的 Linux NIC 驱动总在接收到数据包之后产生一个 IRQ，接着在中断服务例程里将这个 skb 加入本地的 softnet，然后触发本地 NET_RX_SOFTIRQ 软中断后续处理。如果包速过高，因为 IRQ 的优先级高于 SoftIRQ，导致系统的大部分资源都在响应中断，但 softnet 的队列大小有限，接收到的超额数据包也只能丢掉，所以这时这个模型是在用宝贵的系统资源做无用功。而 NAPI 则在这样的情况下，直接把包丢掉，不会继续将需要丢掉的数据包扔给内核去处理，这样，网卡将需要丢掉的数据包尽可能的早丢弃掉，内核将不可见需要丢掉的数据包，这样也减少了内核的压力

　　对 NAPI 的使用，一般包括以下的几个步骤：

　　在中断处理函数中，先禁止接收中断，且告诉网络子系统，将以轮询方式快速收包，其中禁止接收中断完全由硬件功能决定，而告诉内核将以轮询方式处理包则是使用函数 netif_rx_schedule()，也可以使用下面的方式，其中的 netif_rx_schedule_prep 是为了判定现在是否已经进入了轮询模式 :：

　　清单 1. 将网卡预定为轮询模式

　　void netif_rx_schedule(struct net_device *dev); 或者 if (netif_rx_schedule_prep(dev)) __netif_rx_schedule(dev);

　　在驱动中创建轮询函数，它的工作是从网卡获取数据包并将其送入到网络子系统，其原型是：

　　清单 2. NAPI 的轮询方法

　　int (*poll)(struct net_device *dev, int *budget);

　　这里的轮询函数用于在将网卡切换为轮询模式之后，用 poll() 方法处理接收队列中的数据包，如队列为空，则重新切换为中断模式。切换回中断模式需要先关闭轮询模式，使用的是函数 netif_rx_complete ()，接着开启网卡接收中断 .。

　　清单 3. 退出轮询模式

　　void netif_rx_complete(struct net_device *dev);

　　在驱动中创建轮询函数，需要和实际的网络设备 struct net_device 关联起来，这一般在网卡的初始化时候完成，示例代码如下：

　　清单 4. 设置网卡支持轮询模式

　　dev->poll = my_poll; dev->weight = 64;

　　里面另外一个字段为权重 (weight)，该值并没有一个非常严格的要求，实际上是个经验数据，一般 10Mb 的网卡，我们设置为 16，而更快的网卡，我们则设置为 64。

　　NAPI 的一些相关 Interface

　　下面是 NAPI 功能的一些接口，在前面都基本有涉及，我们简单看看：

　　netif_rx_schedule(dev)

　　在网卡的中断处理函数中调用，用于将网卡的接收模式切换为轮询

　　netif_rx_schedule_prep(dev)

　　在网卡是 Up 且运行状态时，将该网卡设置为准备将其加入到轮询列表的状态，可以将该函数看做是 netif_rx_schedule(dev) 的前半部分

　　__netif_rx_schedule(dev)

　　将设备加入轮询列表，前提是需要 netif_schedule_prep(dev) 函数已经返回了 1

　　__netif_rx_schedule_prep(dev)

　　与 netif_rx_schedule_prep(dev) 相似，但是没有判断网卡设备是否 Up 及运行，不建议使用

　　netif_rx_complete(dev)

　　用于将网卡接口从轮询列表中移除，一般在轮询函数完成之后调用该函数。

　　__netif_rx_complete(dev)

　　Newer newer NAPI

　　其实之前的 NAPI(New API) 这样的命名已经有点让人忍俊不禁了，可见 Linux 的内核极客们对名字的掌控，比对代码的掌控差太多，于是乎，连续的两次对 NAPI 的重构，被戏称为 Newer newer NAPI 了。

　　与 netif_rx_complete(dev) 类似，但是需要确保本地中断被禁止

　　Newer newer NAPI

　　在最初实现的 NAPI 中，有 2 个字段在结构体 net_device 中，分别为轮询函数 poll() 和权重 weight，而所谓的 Newer newer NAPI，是在 2.6.24 版内核之后，对原有的 NAPI 实现的几次重构，其核心是将 NAPI 相关功能和 net_device 分离，这样减少了耦合，代码更加的灵活，因为 NAPI 的相关信息已经从特定的网络设备剥离了，不再是以前的一对一的关系了。例如有些网络适配器，可能提供了多个 port，但所有的 port 却是共用同一个接受数据包的中断，这时候，分离的 NAPI 信息只用存一份，同时被所有的 port 来共享，这样，代码框架上更好地适应了真实的硬件能力。Newer newer NAPI 的中心结构体是napi_struct:

　　清单 5. NAPI 结构体

　　/* * Structure for NAPI scheduling similar to tasklet but with weighting */ struct napi_struct { /* The poll_list must only be managed by the entity which * changes the state of the NAPI_STATE_SCHED bit. This means * whoever atomically sets that bit can add this napi_struct * to the per-CPU poll_list, and whoever clears that bit * can remove from the list right before clearing the bit. */ struct list_head poll_list; unsigned long state; int weight; int (*poll)(struct napi_struct *, int); #ifdef CONFIG_NETPOLL spinlock_t poll_lock; int poll_owner; #endif unsigned int gro_count; struct net_device *dev; struct list_head dev_list; struct sk_buff *gro_list; struct sk_buff *skb; };

　　熟悉老的 NAPI 接口实现的话，里面的字段 poll_list、state、weight、poll、dev、没什么好说的，gro_count 和 gro_list 会在后面讲述 GRO 时候会讲述。需要注意的是，与之前的 NAPI 实现的最大的区别是该结构体不再是 net_device 的一部分，事实上，现在希望网卡驱动自己单独分配与管理 napi 实例，通常将其放在了网卡驱动的私有信息，这样最主要的好处在于，如果驱动愿意，可以创建多个 napi_struct，因为现在越来越多的硬件已经开始支持多接收队列 (multiple receive queues)，这样，多个 napi_struct 的实现使得多队列的使用也更加的有效。

　　与最初的 NAPI 相比较，轮询函数的注册有些变化，现在使用的新接口是：

　　void netif_napi_add(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi, int (*poll)(struct napi_struct *, int)， int weight)

　　熟悉老的 NAPI 接口的话，这个函数也没什么好说的。

　　值得注意的是，前面的轮询 poll() 方法原型也开始需要一些小小的改变：

　　int (*poll)(struct napi_struct *napi, int budget);

　　大部分 NAPI 相关的函数也需要改变之前的原型，下面是打开轮询功能的 API：

　　void netif_rx_schedule(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi); /* …or… */ int netif_rx_schedule_prep(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi); void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi);

　　轮询功能的关闭则需要使用 :

　　void netif_rx_complete(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi);

　　因为可能存在多个 napi_struct 的实例，要求每个实例能够独立的使能或者禁止，因此，需要驱动作者保证在网卡接口关闭时，禁止所有的 napi_struct 的实例。

　　函数 netif_poll_enable() 和 netif_poll_disable() 不再需要，因为轮询管理不再和 net_device 直接管理，取而代之的是下面的两个函数：

　　void napi_enable(struct napi *napi); void napi_disable(struct napi *napi);

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　　发送路径上的优化

　　TSO (TCP Segmentation Offload)

　　TSO (TCP Segmentation Offload) 是一种利用网卡分割大数据包，减小 CPU 负荷的一种技术，也被叫做 LSO (Large segment offload) ，如果数据包的类型只能是 TCP，则被称之为 TSO，如果硬件支持 TSO 功能的话，也需要同时支持硬件的 TCP 校验计算和分散 - 聚集 (Scatter Gather) 功能。

　　可以看到 TSO 的实现，需要一些基本条件，而这些其实是由软件和硬件结合起来完成的，对于硬件，具体说来，硬件能够对大的数据包进行分片，分片之后，还要能够对每个分片附着相关的头部。TSO 的支持主要有需要以下几步：

　　如果网路适配器支持 TSO 功能，需要声明网卡的能力支持 TSO，这是通过以 NETIF_F_TSO 标志设置 net_device structure 的 features 字段来表明，例如，在 benet(drivers/net/benet/be_main.c) 网卡的驱动程序中，设置 NETIF_F_TSO 的代码如下：

　　清单 6. benet 网卡驱动声明支持 TSO 功能

　　static void be_netdev_init(struct net_device *netdev) { struct be_adapter *adapter = netdev_priv(netdev); netdev->features |= NETIF_F_SG | NETIF_F_HW_VLAN_RX | NETIF_F_TSO | NETIF_F_HW_VLAN_TX | NETIF_F_HW_VLAN_FILTER | NETIF_F_HW_CSUM | NETIF_F_GRO | NETIF_F_TSO6; netdev->vlan_features |= NETIF_F_SG | NETIF_F_TSO | NETIF_F_HW_CSUM; netdev->flags |= IFF_MULTICAST; adapter->rx_csum = true; /* Default settings for Rx and Tx flow control */ adapter->rx_fc = true; adapter->tx_fc = true; netif_set_gso_max_size(netdev, 65535); BE_SET_NETDEV_OPS(netdev, &be_netdev_ops); SET_ETHTOOL_OPS(netdev, &be_ethtool_ops); netif_napi_add(netdev, &adapter->rx_eq.napi, be_poll_rx, BE_NAPI_WEIGHT); netif_napi_add(netdev, &adapter->tx_eq.napi, be_poll_tx_mcc, BE_NAPI_WEIGHT); netif_carrier_off(netdev); netif_stop_queue(netdev); }

　　在代码中，同时也用 netif_set_gso_max_size 函数设置了 net_device 的 gso_max_size 字段。该字段表明网络接口一次能处理的最大 buffer 大小，一般该值为 64Kb，这意味着只要 TCP 的数据大小不超过 64Kb，就不用在内核中分片，而只需一次性的推送到网络接口，由网络接口去执行分片功能。

　　当一个 TCP 的 socket 被创建，其中一个职责是设置该连接的能力，在网络层的 socket 的表示是 struck sock，其中有一个字段 sk_route_caps 标示该连接的能力，在 TCP 的三路握手完成之后，将基于网络接口的能力和连接来设置该字段。[nextpage]

　　清单 7. 网路层对 TSO 功能支持的设定

　　/* This will initiate an outgoing connection. */ int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) { …… /* OK, now commit destination to socket. */ sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4; sk_setup_caps(sk, &rt->dst); …… }

　　代码中的 sk_setup_caps() 函数则设置了上面所说的 sk_route_caps 字段，同时也检查了硬件是否支持分散 - 聚集功能和硬件校验计算功能。需要这 2 个功能的原因是：Buffer 可能不在一个内存页面上，所以需要分散 - 聚集功能，而分片后的每个分段需要重新计算 checksum，因此需要硬件支持校验计算。

　　现在，一切的准备工作都已经做好了，当实际的数据需要传输时，需要使用我们设置好的 gso_max_size，我们知道，TCP 向 IP 层发送数据会考虑 mss，使得发送的 IP 包在 MTU 内，不用分片。而 TSO 设置的 gso_max_size 就影响该过程，这主要是在计算 mss_now 字段时使用。如果内核不支持 TSO 功能，mss_now 的最大值为“MTU – HLENS”，而在支持 TSO 的情况下，mss_now 的最大值为“gso_max_size -HLENS”，这样，从网络层带驱动的路径就被打通了。

　　GSO (Generic Segmentation Offload)

　　TSO 是使得网络协议栈能够将大块 buffer 推送至网卡，然后网卡执行分片工作，这样减轻了 CPU 的负荷，但 TSO 需要硬件来实现分片功能;而性能上的提高，主要是因为延缓分片而减轻了 CPU 的负载，因此，可以考虑将 TSO 技术一般化，因为其本质实际是延缓分片，这种技术，在 Linux 中被叫做 GSO(Generic Segmentation Offload)，它比 TSO 更通用，原因在于它不需要硬件的支持分片就可使用，对于支持 TSO 功能的硬件，则先经过 GSO 功能，然后使用网卡的硬件分片能力执行分片;而对于不支持 TSO 功能的网卡，将分片的执行，放在了将数据推送的网卡的前一刻，也就是在调用驱动的 xmit 函数前。

　　我们再来看看内核中数据包的分片都有可能在哪些时刻：

　　在传输协议中，当构造 skb 用于排队的时候

　　在传输协议中，但是使用了 NETIF_F_GSO 功能，当即将传递个网卡驱动的时候

　　在驱动程序里，此时驱动支持 TSO 功能 ( 设置了 NETIF_F_TSO 标志 )

　　对于支持 GSO 的情况，主要使用了情况 2 或者是情况 2.、3，其中情况二是在硬件不支持 TSO 的情况下，而情况 2、3 则是在硬件支持 TSO 的情况下。

　　代码中是在 dev_hard_start_xmit 函数里调用 dev_gso_segment 执行分片，这样尽量推迟分片的时间以提高性能：

　　清单 8. GSO 中的分片

　　int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq) { …… if (netif_needs_gso(dev, skb)) { if (unlikely(dev_gso_segment(skb))) goto out_kfree_skb; if (skb->next) goto gso; } else { …… } …… }

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　　接收路径上的优化

　　LRO (Large Receive Offload)

　　Linux 在 2.6.24 中加入了支持 IPv4 TCP 协议的 LRO (Large Receive Offload) ，它通过将多个 TCP 数据聚合在一个 skb 结构，在稍后的某个时刻作为一个大数据包交付给上层的网络协议栈，以减少上层协议栈处理 skb 的开销，提高系统接收 TCP 数据包的能力。

　　当然，这一切都需要网卡驱动程序支持。理解 LRO 的工作原理，需要理解 sk_buff 结构体对于负载的存储方式，在内核中，sk_buff 可以有三种方式保存真实的负载：

　　数据被保存在 skb->data 指向的由 kmalloc 申请的内存缓冲区中，这个数据区通常被称为线性数据区，数据区长度由函数 skb_headlen 给出

　　数据被保存在紧随 skb 线性数据区尾部的共享结构体 skb_shared_info 中的成员 frags 所表示的内存页面中，skb_frag_t 的数目由 nr_frags 给出，skb_frags_t 中有数据在内存页面中的偏移量和数据区的大小

　　数据被保存于 skb_shared_info 中的成员 frag_list 所表示的 skb 分片队列中

　　合并了多个 skb 的超级 skb，能够一次性通过网络协议栈，而不是多次，这对 CPU 负荷的减轻是显然的。

　　LRO 的核心结构体如下：

　　清单 9. LRO 的核心结构体

　　/* * Large Receive Offload (LRO) Manager * * Fields must be set by driver */ struct net_lro_mgr { struct net_device *dev; struct net_lro_stats stats; /* LRO features */ unsigned long features; #define LRO_F_NAPI 1 /* Pass packets to stack via NAPI */ #define LRO_F_EXTRACT_VLAN_ID 2 /* Set flag if VLAN IDs are extracted from received packets and eth protocol is still ETH_P_8021Q */ /* * Set for generated SKBs that are not added to * the frag list in fragmented mode */ u32 ip_summed; u32 ip_summed_aggr; /* Set in aggregated SKBs: CHECKSUM_UNNECESSARY * or CHECKSUM_NONE */ int max_desc; /* Max number of LRO descriptors */ int max_aggr; /* Max number of LRO packets to be aggregated */ int frag_align_pad; /* Padding required to properly align layer 3 * headers in generated skb when using frags */ struct net_lro_desc *lro_arr; /* Array of LRO descriptors */ /* * Optimized driver functions * * get_skb_header: returns tcp and ip header for packet in SKB */ int (*get_skb_header)(struct sk_buff *skb, void **ip_hdr, void **tcpudp_hdr, u64 *hdr_flags, void *priv); /* hdr_flags: */ #define LRO_IPV4 1 /* ip_hdr is IPv4 header */ #define LRO_TCP 2 /* tcpudp_hdr is TCP header */ /* * get_frag_header: returns mac, tcp and ip header for packet in SKB * * @hdr_flags: Indicate what kind of LRO has to be done * (IPv4/IPv6/TCP/UDP) */ int (*get_frag_header)(struct skb_frag_struct *frag, void **mac_hdr, void **ip_hdr, void **tCPUdp_hdr, u64 *hdr_flags, void *priv); };

　　在该结构体中：

　　dev：指向支持 LRO 功能的网络设备

　　stats：包含一些统计信息，用于查看 LRO 功能的运行情况

　　features：控制 LRO 如何将包送给网络协议栈，其中的 LRO_F_NAPI 表明驱动是 NAPI 兼容的，应该使用 netif_receive_skb() 函数，而 LRO_F_EXTRACT_VLAN_ID 表明驱动支持 VLAN

　　ip_summed：表明是否需要网络协议栈支持 checksum 校验

　　ip_summed_aggr：表明聚集起来的大数据包是否需要网络协议栈去支持 checksum 校验

　　max_desc：表明最大数目的 LRO 描述符，注意，每个 LRO 的描述符描述了一路 TCP 流，所以该值表明了做多同时能处理的 TCP 流的数量

　　max_aggr：是最大数目的包将被聚集成一个超级数据包

　　lro_arr：是描述符数组，需要驱动自己提供足够的内存或者在内存不足时处理异常

　　get_skb_header()/get_frag_header()：用于快速定位 IP 或者 TCP 的头，一般驱动只提供其中的一个实现

　　一般在驱动中收包，使用的函数是 netif_rx 或者 netif_receive_skb，但在支持 LRO 的驱动中，需要使用下面的函数，这两个函数将进来的数据包根据 LRO 描述符进行分类，如果可以进行聚集，则聚集为一个超级数据包，否者直接传递给内核，走正常途径。需要 lro_receive_frags 函数的原因是某些驱动直接将数据包放入了内存页，之后去构造 sk_buff，对于这样的驱动，应该使用下面的接口：

　　清单 10. LRO 收包函数

　　void lro_receive_skb(struct net_lro_mgr *lro_mgr, struct sk_buff *skb, void *priv); void lro_receive_frags(struct net_lro_mgr *lro_mgr, struct skb_frag_struct *frags, int len, int true_size, void *priv, __wsum sum);

　　因为 LRO 需要聚集到 max_aggr 数目的数据包，但有些情况下可能导致延迟比较大，这种情况下，可以在聚集了部分包之后，直接传递给网络协议栈处理，这时可以使用下面的函数，也可以在收到某个特殊的包之后，不经过 LRO，直接传递个网络协议栈：

　　清单 11. LRO flush 函数

　　void lro_flush_all(struct net_lro_mgr *lro_mgr); void lro_flush_pkt(struct net_lro_mgr *lro_mgr, struct iphdr *iph, struct tcphdr *tcph);

　　GRO (Generic Receive Offload)

　　前面的 LRO 的核心在于：在接收路径上，将多个数据包聚合成一个大的数据包，然后传递给网络协议栈处理，但 LRO 的实现中存在一些瑕疵：

　　数据包合并可能会破坏一些状态

　　数据包合并条件过于宽泛，导致某些情况下本来需要区分的数据包也被合并了，这对于路由器是不可接收的

　　在虚拟化条件下，需要使用桥接功能，但 LRO 使得桥接功能无法使用

　　实现中，只支持 IPv4 的 TCP 协议

　　而解决这些问题的办法就是新提出的 GRO(Generic Receive Offload)，首先，GRO 的合并条件更加的严格和灵活，并且在设计时，就考虑支持所有的传输协议，因此，后续的驱动，都应该使用 GRO 的接口，而不是 LRO，内核可能在所有先有驱动迁移到 GRO 接口之后将 LRO 从内核中移除。而 Linux 网络子系统的维护者 David S. Miller 就明确指出，现在的网卡驱动，有 2 个功能需要使用，一是使用 NAPI 接口以使得中断缓和 (interrupt mitigation) ，以及简单的互斥，二是使用 GRO 的 NAPI 接口去传递数据包给网路协议栈。

　　在 NAPI 实例中，有一个 GRO 的包的列表 gro_list，用堆积收到的包，GRO 层用它来将聚集的包分发到网络协议层，而每个支持 GRO 功能的网络协议层，则需要实现 gro_receive 和 gro_complete 方法。

　　清单 12. 协议层支持 GRO/GSO 的接口

　　struct packet_type { __be16 type; /* This is really htons(ether_type)。 */ struct net_device *dev; /* NULL is wildcarded here */ int (*func) (struct sk_buff *, struct net_device *, struct packet_type *, struct net_device *); struct sk_buff *(*gso_segment)(struct sk_buff *skb, int features); int (*gso_send_check)(struct sk_buff *skb); struct sk_buff **(*gro_receive)(struct sk_buff **head, struct sk_buff *skb); int (*gro_complete)(struct sk_buff *skb); void *af_packet_priv; struct list_head list; };

　　其中，gro_receive 用于尝试匹配进来的数据包到已经排队的 gro_list 列表，而 IP 和 TCP 的头部则在匹配之后被丢弃;而一旦我们需要向上层协议提交数据包，则调用 gro_complete 方法，将 gro_list 的包合并成一个大包，同时 checksum 也被更新。在实现中，并没要求 GRO 长时间的去实现聚合，而是在每次 NAPI 轮询操作中，强制传递 GRO 包列表跑到上层协议。GRO 和 LRO 的最大区别在于，GRO 保留了每个接收到的数据包的熵信息，这对于像路由器这样的应用至关重要，并且实现了对各种协议的支持。以 IPv4 的 TCP 为例，匹配的条件有：

　　源 / 目的地址匹配

　　TOS/ 协议字段匹配

　　源 / 目的端口匹配

　　而很多其它事件将导致 GRO 列表向上层协议传递聚合的数据包，例如 TCP 的 ACK 不匹配或者 TCP 的序列号没有按序等等。

　　GRO 提供的接口和 LRO 提供的接口非常的类似，但更加的简洁，对于驱动，明确可见的只有 GRO 的收包函数了 , 因为大部分的工作实际是在协议层做掉了：

　　清单 13. GRO 收包接口

　　gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb) gro_result_t napi_gro_frags(struct napi_struct *napi)

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　　小结

　　从上面的分析，可以看到，Linux 网络性能优化方法，就像一部进化史，但每步的演化，都让解决问题的办法更加的通用，更加的灵活;从 NAPI 到 Newer newer NAPI，从 TSO 到 GSO，从 LRO 到 GRO，都是一个从特例到一个更通用的解决办法的演化，正是这种渐进但连续的演化，让 Linux 保有了如此的活力。