Linux性能优化——Linux网络基础

通常用带宽、吞吐量、延时、PPS（Packet Per Second）等指标衡量网络的性能。

• 带宽，表示链路的最大传输速率，单位通常为 b/s （比特 / 秒）。

• 吞吐量，表示单位时间内成功传输的数据量，单位通常为 b/s（比特 /
  秒）或者 B/s（字节 / 秒）。吞吐量受带宽限制，而吞吐量 /带宽，也就是该网络的使用率。

• 延时，表示从网络请求发出后，一直到收到远端响应，所需要的时间延迟。在不同场景中，这一指标可能会有不同含义。比如，它可以表示，建立连接需要的时间（比如TCP
  握手延时），或一个数据包往返所需的时间（比如 RTT）。

• PPS，是 Packet Per Second（包 /秒）的缩写，表示以网络包为单位的传输速率。PPS通常用来评估网络的转发能力，比如硬件交换机，通常可以达到线性转发（即 PPS可以达到或者接近理论最大值）。而基于
  Linux服务器的转发，则容易受网络包大小的影响。

除了这些指标，网络的可用性（网络能否正常通信）、并发连接数（TCP连接数量）、丢包率（丢包百分比）、重传率（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。

$ ifconfig eth0
eth0: flags=4163 mtu 1500
      inet 10.240.0.30 netmask 255.240.0.0 broadcast 10.255.255.255
      inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a prefixlen 64 scopeid 0x20
      ether 78:0d:3a:07:cf:3a txqueuelen 1000 (Ethernet)
      RX packets 40809142 bytes 9542369803 (9.5 GB)
      RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
      TX packets 32637401 bytes 4815573306 (4.8 GB)
      TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
​
$ ip -s addr show dev eth0
2: eth0:  mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
  link/ether 78:0d:3a:07:cf:3a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  inet 10.240.0.30/12 brd 10.255.255.255 scope global eth0
      valid_lft forever preferred_lft forever
  inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a/64 scope link
      valid_lft forever preferred_lft forever
  RX: bytes packets errors dropped overrun mcast
   9542432350 40809397 0       0       0       193
  TX: bytes packets errors dropped carrier collsns
   4815625265 32637658 0       0       0       0

第一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。

第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。

第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。

第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。

其中：

• errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
• dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 RingBuffer，但因为内存不足等原因丢包；
• overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；
• carrier 表示发生 carrirer错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；
• collisions 表示碰撞数据包数。

# head -n 3 表示只显示前面3行
# -l 表示只显示监听套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
$ netstat -nlp | head -n 3
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 127.0.0.53:53           0.0.0.0:*               LISTEN      840/systemd-resolve

# -l 表示只显示监听套接字
# -t 表示只显示 TCP 套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
$ ss -ltnp | head -n 3
State    Recv-Q    Send-Q        Local Address:Port        Peer Address:Port
LISTEN   0         128           127.0.0.53%lo:53               0.0.0.0:*        users:(("systemd-resolve",pid=840,fd=13))
LISTEN   0         128                 0.0.0.0:22               0.0.0.0:*        users:(("sshd",pid=1459,fd=3))

接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。

当套接字处于连接状态（Established）时，

• Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。
• Send-Q表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。

当套接字处于监听状态（Listening）时，

• Recv-Q 表示全连接队列的长度。
• Send-Q 表示全连接队列的最大长度。

所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。

与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。

$ netstat -s
...
Tcp:
    3244906 active connection openings
    23143 passive connection openings
    115732 failed connection attempts
    2964 connection resets received
    1 connections established
    13025010 segments received
    17606946 segments sent out
    44438 segments retransmitted
    42 bad segments received
    5315 resets sent
    InCsumErrors: 42
...

$ ss -s
Total: 186 (kernel 1446)
TCP:   4 (estab 1, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 0

Transport Total     IP        IPv6
*    1446      -         -
RAW    2         1         1
UDP    2         2         0
TCP    4         3         1
...

sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等。执行下面的命令，你就可以得到网络接口统计信息：

# 数字1表示每隔1秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
Linux 4.15.0-1035 (ubuntu)   01/06/19   _x86_64_  (2 CPU)

13:21:40        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
13:21:41         eth0     18.00     20.00      5.79      4.25      0.00      0.00      0.00      0.00
13:21:41      docker0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
13:21:41           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

• rxpck/s 和 txpck/s 分别是接收和发送的 PPS，单位为包 / 秒。
• rxkB/s 和 txkB/s分别是接收和发送的吞吐量，单位是 KB/ 秒。
• rxcmp/s 和 txcmp/s 分别是接收和发送的压缩数据包数，单位是包 /
  秒。
• %ifutil 是网络接口的使用率，即半双工模式下为 (rxkB/s+txkB/s)/Bandwidth，而全双工模式下为 max(rxkB/s, txkB/s)/Bandwidth。

其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：

$ ethtool eth0 | grep Speed
  Speed: 1000Mb/s

我们先来看网络包的接收流程。

当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。

接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。比如，

• 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如 IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
• 网络层取出 IP头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（比如 TCP 还是UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
• 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 >
  四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。

最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

网络包的发送流程

网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。

首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。

由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。

接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。

最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。

通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。

其中：

• 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；
• 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头；
• 而网络接口层，又在 IP数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

我们从上到下来看这个网络栈，你可以发现，

• 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；
• 套接字的下面，就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；
• 最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

这里我简单说一下网卡。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。

再结合前面提到的 Linux 网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂。所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。