【Linux】21、软中断、网络小包、SYN FLOOD 攻击、sar tcpdump

进程的不可中断状态是系统的一种保护机制，可以保证硬件的交互过程不被意外打断。所以，短时间的不可中断状态是很正常的。

但是，当进程长时间都处于不可中断状态时，你就得当心了。这时，你可以使用 dstat、pidstat 等工具，确认是不是磁盘 I/O 的问题，进而排查相关的进程和磁盘设备。关于磁盘 I/O 的性能问题，你暂且不用专门去背，我会在后续的 I/O 部分详细介绍，到时候理解了也就记住了。

其实除了 iowait，软中断（softirq）CPU 使用率升高也是最常见的一种性能问题。接下我们就来学习软中断的内容，我还会以最常见的反向代理服务器 Nginx 的案例，带你分析这种情况。

一、通俗理解：从“取外卖”看中断

说到中断，我在前面关于“上下文切换”的文章，简单说过中断的含义，先来回顾一下。中断是系统用来响应硬件设备请求的一种机制，它会打断进程的正常调度和执行，然后调用内核中的中断处理程序来响应设备的请求。

你可能要问了，为什么要有中断呢？我可以举个生活中的例子，让你感受一下中断的魅力。

比如说你订了一份外卖，但是不确定外卖什么时候送到，也没有别的方法了解外卖的进度，但是，配送员送外卖是不等人的，到了你这儿没人取的话，就直接走人了。所以你只能苦苦等着，时不时去门口看看外卖送到没，而不能干其他事情。

不过呢，如果在订外卖的时候，你就跟配送员约定好，让他送到后给你打个电话，那你就不用苦苦等待了，就可以去忙别的事情，直到电话一响，接电话、取外卖就可以了。

这里的“打电话”，其实就是一个中断。没接到电话的时候，你可以做其他的事情；只有接到了电话（也就是发生中断），你才要进行另一个动作：取外卖。

这个例子你就可以发现，中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

由于中断处理程序会打断其他进程的运行，所以，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。如果中断本身要做的事情不多，那么处理起来也不会有太大问题；但如果中断要处理的事情很多，中断服务程序就有可能要运行很长时间。

特别是，中断处理程序在响应中断时，还会临时关闭中断。这就会导致上一次中断处理完成之前，其他中断都不能响应，也就是说中断有可能会丢失。

那么还是以取外卖为例。假如你订了 2 份外卖，一份主食和一份饮料，并且是由 2 个不同的配送员来配送。这次你不用时时等待着，两份外卖都约定了电话取外卖的方式。但是，问题又来了。

当第一份外卖送到时，配送员给你打了个长长的电话，商量发票的处理方式。与此同时，第二个配送员也到了，也想给你打电话。

但是很明显，因为电话占线（也就是关闭了中断响应），第二个配送员的电话是打不通的。所以，第二个配送员很可能试几次后就走掉了（也就是丢失了一次中断）。

二、软中断

如果你弄清楚了“取外卖”的模式，那对系统的中断机制就很容易理解了。事实上，为了解决中断处理程序执行过长和中断丢失的问题，Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。

比如说前面取外卖的例子，上半部就是你接听电话，告诉配送员你已经知道了，其他事儿见面再说，然后电话就可以挂断了；下半部才是取外卖的动作，以及见面后商量发票处理的动作。

这样，第一个配送员不会占用你太多时间，当第二个配送员过来时，照样能正常打通你的电话。

2.1 网卡收发数据包

除了取外卖，我再举个最常见的网卡接收数据包的例子，让你更好地理解。

网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。你可以自己先想一下，这种情况下的上半部和下半部分别负责什么工作呢？

对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个软中断信号，通知下半部做进一步的处理。

而下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

所以，这两个阶段你也可以这样理解：

• 上半部直接处理硬件请求，也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行；
• 而下半部则是由内核触发，也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。

实际上，上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”，比如说， 0 号 CPU 对应的软中断内核线程的名字就是 ksoftirqd/0。

不过要注意的是，软中断不只包括了刚刚所讲的硬件设备中断处理程序的下半部，一些内核自定义的事件也属于软中断，比如内核调度和 RCU 锁（Read-Copy Update 的缩写，RCU 是 Linux 内核中最常用的锁之一）等。

那要怎么知道你的系统里有哪些软中断呢？

2.2 查看软中断和内核线程

不知道你还记不记得，前面提到过的 proc 文件系统。它是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。其中：

• /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况；
• /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况。

运行下面的命令，查看 /proc/softirqs 文件的内容，你就可以看到各种类型软中断在不同 CPU 上的累积运行次数：

$ cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          0          0
       TIMER:     811613    1972736
      NET_TX:         49          7
      NET_RX:    1136736    1506885
       BLOCK:          0          0
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:     304787       3691
       SCHED:     689718    1897539
     HRTIMER:          0          0
         RCU:    1330771    1354737

在查看 /proc/softirqs 文件内容时，你要特别注意以下这两点。

• 第一，要注意软中断的类型，也就是这个界面中第一列的内容。从第一列你可以看到，软中断包括了 10 个类别，分别对应不同的工作类型。比如 NET_RX 表示网络接收中断，而 NET_TX 表示网络发送中断。
• 第二，要注意同一种软中断在不同 CPU 上的分布情况，也就是同一行的内容。正常情况下，同一种中断在不同 CPU 上的累积次数应该差不多。比如这个界面中，NET_RX 在 CPU0 和 CPU1 上的中断次数基本是同一个数量级，相差不大。

不过你可能发现，TASKLET 在不同 CPU 上的分布并不均匀。TASKLET 是最常用的软中断实现机制，每个 TASKLET 只运行一次就会结束 ，并且只在调用它的函数所在的 CPU 上运行。

因此，使用 TASKLET 特别简便，当然也会存在一些问题，比如说由于只在一个 CPU 上运行导致的调度不均衡，再比如因为不能在多个 CPU 上并行运行带来了性能限制。

另外，刚刚提到过，软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。那要怎么查看这些线程的运行状况呢？

其实用 ps 命令就可以做到，比如执行下面的指令：

$ ps aux | grep softirq
root         7  0.0  0.0      0     0 ?        S    Oct10   0:01 [ksoftirqd/0]
root        16  0.0  0.0      0     0 ?        S    Oct10   0:01 [ksoftirqd/1]

注意，这些线程的名字外面都有中括号，这说明 ps 无法获取它们的命令行参数（cmline）。一般来说，ps 的输出中，名字括在中括号里的，一般都是内核线程。

2.3 案例

2.3.1 案例：动态库 sleep 导致软中断

之前的c程序用到了别人写的动态库[如:lib.a]，在物理机上，进程的cpu利用率在0%；而切换到了云服务器，即使空载，单进程的cpu利用率都有30%+。

以前没经验嘛,各种自查,无结果,但是自己的进程cpu利用率又那么高,总是不安心.

后来才通过vmstat 检测到系统的软中断每秒有100W+次.

最后各自百度,找人,才发现是那个动态库在处理网络收发消息时,使用了usleep(1)来休息,每次休息1纳秒,单次中断的耗时都不止1纳秒.

如果是现在,我会如下分析:
1.检测是哪个线程占用了cpu: top -H -p XX 1 / pidstat -wut -p XX 1
2.在进程中打印各线程号. 找到是哪个线程.[ 此过程也可以省略 但可以快速定位线程]
3.第一步应该可以判断出来中断数过高. 再使用 cat /proc/softirqs 查看是哪种类型的中断数过高.
4.不知道perf report -g -p XX 是否可以定位到具体的系统调用函数.
5.最终还是要查看源码,定位具体的位置,并加以验证.

大量的网络小包会导致性能问题，是因为会导致频繁的硬中断和软中断

2.3.2 Nginx

基于 Ubuntu 18.04，也同样适用于其他的 Linux 系统。我使用的案例环境是这样的：

• 机器配置：2 CPU、8 GB 内存。
• 预先安装 docker、sysstat、sar 、hping3、tcpdump 等工具，比如 apt-get install docker.io sysstat hping3 tcpdump。

这里我又用到了三个新工具，sar、 hping3 和 tcpdump，先简单介绍一下：

• sar 是一个系统活动报告工具，既可以实时查看系统的当前活动，又可以配置保存和报告历史统计数据。
• hping3 是一个可以构造 TCP/IP 协议数据包的工具，可以对系统进行安全审计、防火墙测试等。
• tcpdump 是一个常用的网络抓包工具，常用来分析各种网络问题。

本次案例用到两台虚拟机，我画了一张图来表示它们的关系。

安装完成后，我们先在第一个终端，执行下面的命令运行案例，也就是一个最基本的 Nginx 应用：
# 运行 Nginx 服务并对外开放 80 端口
$ docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx


然后，在第二个终端，使用 curl 访问 Nginx 监听的端口，确认 Nginx 正常启动。假设 192.168.0.30 是 Nginx 所在虚拟机的 IP 地址，运行 curl 命令后你应该会看到下面这个输出界面：
$ curl http://192.168.0.30/
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...


接着，还是在第二个终端，我们运行 hping3 命令，来模拟 Nginx 的客户端请求：
# -S 参数表示设置 TCP 协议的 SYN（同步序列号），-p 表示目的端口为 80
# -i u100 表示每隔 100 微秒发送一个网络帧
# 注：如果你在实践过程中现象不明显，可以尝试把 100 调小，比如调成 10 甚至 1
$ hping3 -S -p 80 -i u100 192.168.0.30

现在我们再回到第一个终端，你应该发现了异常。是不是感觉系统响应明显变慢了，即便只是在终端中敲几个回车，都得很久才能得到响应？这个时候应该怎么办呢？

虽然在运行 hping3 命令时，我就已经告诉你，这是一个 SYN FLOOD 攻击，你肯定也会想到从网络方面入手，来分析这个问题。不过，在实际的生产环境中，没人直接告诉你原因。

所以，我希望你把 hping3 模拟 SYN FLOOD 这个操作暂时忘掉，然后重新从观察到的问题开始，分析系统的资源使用情况，逐步找出问题的根源。

那么，该从什么地方入手呢？刚才我们发现，简单的 SHELL 命令都明显变慢了，先看看系统的整体资源使用情况应该是个不错的注意，比如执行下 top 看看是不是出现了 CPU 的瓶颈。我们在第一个终端运行 top 命令，看一下系统整体的资源使用情况。

# top 运行后按数字 1 切换到显示所有 CPU
$ top
top - 10:50:58 up 1 days, 22:10,  1 user,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks: 122 total,   1 running,  71 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 96.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  3.3 si,  0.0 st
%Cpu1  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 95.6 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  4.4 si,  0.0 st
...
 
  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    7 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.64 ksoftirqd/0
   16 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.97 ksoftirqd/1
 2663 root      20   0  923480  28292  13996 S   0.3  0.3   4:58.66 docker-containe
 3699 root      20   0       0      0      0 I   0.3  0.0   0:00.13 kworker/u4:0
 3708 root      20   0   44572   4176   3512 R   0.3  0.1   0:00.07 top
    1 root      20   0  225384   9136   6724 S   0.0  0.1   0:23.25 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.03 kthreadd
...

这里你有没有发现异常的现象？我们从第一行开始，逐个看一下：

• 平均负载全是 0，就绪队列里面只有一个进程（1 running）。
• 每个 CPU 的使用率都挺低，最高的 CPU1 的使用率也只有 4.4%，并不算高。
• 再看进程列表，CPU 使用率最高的进程也只有 0.3%，还是不高呀。

那为什么系统的响应变慢了呢？既然每个指标的数值都不大，那我们就再来看看，这些指标对应的更具体的含义。毕竟，哪怕是同一个指标，用在系统的不同部位和场景上，都有可能对应着不同的性能问题。

仔细看 top 的输出，两个 CPU 的使用率虽然分别只有 3.3% 和 4.4%，但都用在了软中断上；而从进程列表上也可以看到，CPU 使用率最高的也是软中断进程 ksoftirqd。看起来，软中断有点可疑了。

根据上一期的内容，既然软中断可能有问题，那你先要知道，究竟是哪类软中断的问题。停下来想想，上一节我们用了什么方法，来判断软中断类型呢？没错，还是 proc 文件系统。观察 /proc/softirqs 文件的内容，你就能知道各种软中断类型的次数。

不过，这里的各类软中断次数，又是什么时间段里的次数呢？它是系统运行以来的累积中断次数。所以我们直接查看文件内容，得到的只是累积中断次数，对这里的问题并没有直接参考意义。因为，这些中断次数的变化速率才是我们需要关注的。

那什么工具可以观察命令输出的变化情况呢？我想你应该想起来了，在前面案例中用过的 watch 命令，就可以定期运行一个命令来查看输出；如果再加上 -d 参数，还可以高亮出变化的部分，从高亮部分我们就可以直观看出，哪些内容变化得更快。

比如，还是在第一个终端，我们运行下面的命令：

$ watch -d cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          0          0
       TIMER:    1083906    2368646
      NET_TX:         53          9
      NET_RX:    1550643    1916776
       BLOCK:          0          0
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:     333637       3930
       SCHED:     963675    2293171
     HRTIMER:          0          0
         RCU:    1542111    1590625

通过 /proc/softirqs 文件内容的变化情况，你可以发现， TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）等这几个软中断都在不停变化。

其中，NET_RX，也就是网络数据包接收软中断的变化速率最快。而其他几种类型的软中断，是保证 Linux 调度、时钟和临界区保护这些正常工作所必需的，所以它们有一定的变化倒是正常的。

那么接下来，我们就从网络接收的软中断着手，继续分析。既然是网络接收的软中断，第一步应该就是观察系统的网络接收情况。这里你可能想起了很多网络工具，不过，我推荐今天的主人公工具 sar 。

sar 可以用来查看系统的网络收发情况，还有一个好处是，不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的 PPS，即每秒收发的网络帧数。

我们在第一个终端中运行 sar 命令，并添加 -n DEV 参数显示网络收发的报告：

# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔 1 秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
15:03:46        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
15:03:47         eth0  12607.00   6304.00    664.86    358.11      0.00      0.00      0.00      0.01
15:03:47      docker0   6302.00  12604.00    270.79    664.66      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47    veth9f6bbcd   6302.00  12604.00    356.95    664.66      0.00      0.00      0.00      0.05

对于 sar 的输出界面，我先来简单介绍一下，从左往右依次是：

• 第一列：表示报告的时间。
• 第二列：IFACE 表示网卡。
• 第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是 PPS。
• 第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS。
• 后面的其他参数基本接近 0，显然跟今天的问题没有直接关系，你可以先忽略掉。

我们具体来看输出的内容，你可以发现：

• 对网卡 eth0 来说，每秒接收的网络帧数比较大，达到了 12607，而发送的网络帧数则比较小，只有 6304；每秒接收的千字节数只有 664 KB，而发送的千字节数更小，只有 358 KB。
• docker0 和 veth9f6bbcd 的数据跟 eth0 基本一致，只是发送和接收相反，发送的数据较大而接收的数据较小。这是 Linux 内部网桥转发导致的，你暂且不用深究，只要知道这是系统把 eth0 收到的包转发给 Nginx 服务即可。具体工作原理，我会在后面的网络部分详细介绍。

从这些数据，你有没有发现什么异常的地方？

既然怀疑是网络接收中断的问题，我们还是重点来看 eth0 ：接收的 PPS 比较大，达到 12607，而接收的 BPS 却很小，只有 664 KB。直观来看网络帧应该都是比较小的，我们稍微计算一下，664*1024/12607 = 54 字节，说明平均每个网络帧只有 54 字节，这显然是很小的网络帧，也就是我们通常所说的小包问题。

那么，有没有办法知道这是一个什么样的网络帧，以及从哪里发过来的呢？

使用 tcpdump 抓取 eth0 上的包就可以了。我们事先已经知道， Nginx 监听在 80 端口，它所提供的 HTTP 服务是基于 TCP 协议的，所以我们可以指定 TCP 协议和 80 端口精确抓包。

接下来，我们在第一个终端中运行 tcpdump 命令，通过 -i eth0 选项指定网卡 eth0，并通过 tcp port 80 选项指定 TCP 协议的 80 端口：

# -i eth0 只抓取 eth0 网卡，-n 不解析协议名和主机名
# tcp port 80 表示只抓取 tcp 协议并且端口号为 80 的网络帧
$ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 458303614, win 512, length 0
...

从 tcpdump 的输出中，你可以发现

• 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80 ，表示网络帧从 192.168.0.2 的 18238 端口发送到 192.168.0.30 的 80 端口，也就是从运行 hping3 机器的 18238 端口发送网络帧，目的为 Nginx 所在机器的 80 端口。
• Flags [S] 则表示这是一个 SYN 包。

再加上前面用 sar 发现的， PPS 超过 12000 的现象，现在我们可以确认，这就是从 192.168.0.2 这个地址发送过来的 SYN FLOOD 攻击。

到这里，我们已经做了全套的性能诊断和分析。从系统的软中断使用率高这个现象出发，通过观察 /proc/softirqs 文件的变化情况，判断出软中断类型是网络接收中断；再通过 sar 和 tcpdump ，确认这是一个 SYN FLOOD 问题。

SYN FLOOD 问题最简单的解决方法，就是从交换机或者硬件防火墙中封掉来源 IP，这样 SYN FLOOD 网络帧就不会发送到服务器中。

至于 SYN FLOOD 的原理和更多解决思路，你暂时不需要过多关注，后面的网络章节里我们都会学到。