linux 路由跟踪表 nf_conntrack 数据结构 参数 简介

在内核中，连接跟踪表是一个二维数组结构的哈希表(hash table)，哈希表的大小记作HASHSIZE，哈希表的每一项(hash table entry)称作bucket，因此哈希表中有HASHSIZE个bucket存在，每个bucket包含一个链表(linked list)，每个链表能够存放若干个conntrack条目(bucket size)。需要明确的是，nf_conntrack 模块并不是所有 Linux 内核都会加载，最常见的导致加载该模块的原因是使用了 iptables、lvs 等内核态 NAT/防火墙导致内核需要对连接表进行追踪，iptable_nat、ip_vs 等多个内核模块都依赖 nf_conntrack， 但是 nf_conntrack 的存在会影响高并发下的内核收包性能。

 

对于一个新收到的数据包，内核使用如下步骤判断其是否属于一个已有连接：

• 内核提取此数据包信息(源目IP，port，协议号)进行hash计算得到一个hash值，在哈希表中以此hash值做索引，索引结果为数据包所属的bucket(链表)。这一步hash计算时间固定并且很短
• 遍历hash得到的bucket，查找是否有匹配的conntrack条目。这一步是比较耗时的操作，bucket size越大，遍历时间越长

bucket_size 和 hashsize 的关系

根据上面对哈希表的解释，系统最大允许连接跟踪数CONNTRACK_MAX = 连接跟踪表大小(HASHSIZE) * Bucket大小(bucket size)。从连接跟踪表获取bucket是hash操作时间很短，而遍历bucket相对费时，因此为了conntrack性能考虑，bucket size越小越好，默认为8或者4

nf_conntrack_max – INTEGER Size of connection tracking table. Default value is nf_conntrack_buckets value * 4.

net.netfilter.nf_conntrack_buckets 即是 /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize
同时设定了 conntrack_max 和 hashsize 时，bucket_size会调整为其比值：

1. # sysctl net.netfilter.nf_conntrack_buckets
2. net.netfilter.nf_conntrack_buckets = 65536
3. # sysctl net.netfilter.nf_conntrack_max
4. net.netfilter.nf_conntrack_max = 100000000
5. # echo "100000000 65536"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
6. 1525.88

计算 conntrack 消耗的内存

计算方法：

total_mem_used(bytes) = CONNTRACK_MAX * sizeof(struct ip_conntrack) + HASHSIZE * sizeof(struct list_head) 

样例代码：

1. import ctypes
2.  
3. #不同系统可能不一样，ldconfig -v | grep conntrack 获取对应版本
4. LIBNETFILTER_CONNTRACK = 'libnetfilter_conntrack.so.3.5.0'
5.  
6. nfct = ctypes.CDLL(LIBNETFILTER_CONNTRACK)
7. print 'sizeof(struct nf_conntrack):', nfct.nfct_maxsize()
8. print 'sizeof(struct list_head):', ctypes.sizeof(ctypes.c_void_p) * 2

在上述机器（hashsize=65536, conntrack_max=100000000）上运行结果：

1. sizeof(struct nf_conntrack): 328
2. sizeof(struct list_head): 16

根据上述算式得出线上配置内存的理论消耗：100000000 * 328 +65536 * 16 bytes，主要由第一项组成

相关问题和处理

最近遇到了一个 nf_conntrack 相关的问题，背景是：近期贵组 LB 上线了一个新的集群，在只有接入项目较少的情况下，出现了 CPU 异常压力过大的问题，perf 发现大量 CPU 消耗在 nf_conntrack_find_get 上：

经查，nf_conntrack bucket hashsize 过小，导致 bucket size 大，查表效率差，调整前 /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize 为16384，经上述算法计算 bucket size 高达6000+，将 hashsize 调整为524288后比值为100量级。

1. echo "`sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_max` 16384"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
2. 6103.52
3. echo "`sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_max` `sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_buckets`"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
4. 190.73