Linux性能优化之网络（一）

• 同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要。

网络模型

• 为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层，每个层负责不同的功能。其中，
  • 应用层，负责为应用程序提供统一的接口。
  • 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
  • 会话层，负责维护计算机之间的通信连接。
  • 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包。
  • 网络层，负责数据的路由和转发。
  • 数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。
  • 物理层，负责在物理网络中传输数据帧。
• 在 Linux 中，实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，
  • 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
  • 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
  • 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。
  • 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

TCP/IP 与 OSI 模型的关系

Linux 网络栈

• 在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。
• 封装只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。
• 以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，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；
  • 网络接口层，又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。
• 物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小。一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。

Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

• 上到下来看这个网络栈，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。

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。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。

Linux 网络收发流程

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。
  
  注：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

• 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。

性能指标

• 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。

网络配置

• ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代。可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。
  
• ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
• 几个跟网络性能密切相关的指标，需要特别关注一下。
  • 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），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，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 Ring Buffer，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。

套接字信息

• netstat 或者 ss ，用来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。

# 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

# -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

• netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。其中，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。当发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
• 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）。
  • 而 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 syn backlog 的当前值。
  • 而 Send-Q 表示最大的 syn backlog 值。

syn backlog 是 TCP 协议栈中的半连接队列长度，相应的也有一个全连接队列（accept queue），它们都是维护 TCP 状态的重要机制。

• 半连接，就是还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半，而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。
• 全连接，则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，还需要再被 accept() 系统调用取走，这样，服务器就可以开始真正处理客户端的请求了。

协议栈统计信息

• 使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
  
  
• ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息。

网络吞吐和 PPS

• sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息
  
• 指标的含义：
  • 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。

连通性和延时

• ping ，用来测试远程主机的连通性和延时。

# -c3 表示发送三次 ICMP 包后停止
$ ping -c3 114.114.114.114

• ping 的输出，可以分为两部分。
  • 第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。
  • 第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。

你知道的越多，你不知道的越多。