34 | 关于 Linux 网络，你必须知道这些（下）

Feb 8, 2019

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34 | 关于 Linux 网络，你必须知道这些（下）

2019-02-08 倪朋飞来自北京

《Linux性能优化实战》

课程介绍

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讲述：冯永吉

时长09:52大小7.90M



你好，我是倪朋飞。
上一节，我带你学习了 Linux 网络的基础原理。简单回顾一下，Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
应用程序通过套接字接口发送数据包时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。
了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
性能指标实际上，我们通常用带宽、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。
接下来，请你打开一个终端，SSH 登录到服务器上，然后跟我一起来探索、观测这些性能指标。
网络配置分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。我个人更推荐使用 ip 工具，因为它提供了更丰富的功能和更易用的接口。
ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代。通常情况下它们会在发行版中默认安装。但如果你找不到 ifconfig 或者 ip 命令，可以安装这两个软件包。
以网络接口 eth0 为例，你可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：
$ ifconfig eth0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> 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<link>
      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: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> 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
你可以看到，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。
这些具体指标的含义，在文档中都有详细的说明，不过，这里有几个跟网络性能密切相关的指标，需要你特别关注一下。
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），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 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ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注。你可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。
我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：
# 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
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))
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。当你发现它们不是 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 表示全连接队列的长度。
而 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。
协议栈统计信息类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
$ 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
...
这些协议栈的统计信息都很直观。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。
比如，上面 netstat 的输出示例，就展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
网络吞吐和 PPS接下来，我们再来看看，如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。在这里，我推荐使用我们的老朋友 sar，在前面的 CPU、内存和 I/O 模块中，我们已经多次用到它。
给 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
这儿输出的指标比较多，我来简单解释下它们的含义。
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。
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
连通性和延时最后，我们通常使用 ping ，来测试远程主机的连通性和延时，而这基于 ICMP 协议。比如，执行下面的命令，你就可以测试本机到 114.114.114.114 这个 IP 地址的连通性和延时：
# -c3表示发送三次ICMP包后停止
$ ping -c3 114.114.114.114
PING 114.114.114.114 (114.114.114.114) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=1 ttl=54 time=244 ms
64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=2 ttl=47 time=244 ms
64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=3 ttl=67 time=244 ms
--- 114.114.114.114 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2001ms
rtt min/avg/max/mdev = 244.023/244.070/244.105/0.034 ms
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。
比如上面的示例显示，发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 114.114.114.114 是连通的；平均往返延时（RTT）是 244ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到 114.114.114.114 回复的确认，总共经历 244ms。
小结我们通常使用带宽、吞吐量、延时等指标，来衡量网络的性能；相应的，你可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。
在下一节中，我将以经典的 C10K 和 C100K 问题，带你进一步深入 Linux 网络的工作原理。
思考最后，我想请你来聊聊，你理解的 Linux 网络性能。你常用什么指标来衡量网络的性能？又用什么思路分析相应性能问题呢？你可以结合今天学到的知识，提出自己的观点。
欢迎在留言区和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。

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35 | 基础篇：C10K 和 C1000K 回顾

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精选留言(51)

分清云淡
2019-03-01
小狗同学问到：老师，您好 ss —lntp 这个当session处于listening中 rec-q 确定是 syn的backlog吗？ A: Recv-Q为全连接队列当前使用了多少。中文资料里这个问题讲得最明白的文章：https://mp.weixin.qq.com/s/yH3PzGEFopbpA-jw4MythQ
作者回复: 👍谢谢分享
共 6 条评论
32
我来也
2019-10-21
今天查一个问题，花了半天功夫。如果文中的一句话还记得的话，可能就只需要几分钟了。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）。原本ngnix在物理机上是没问题的，结果有个环境中放到了docker里，且还是走的普通端口映射模式，还不是—net=host模式，结果websocket发往ngnix的数据过大后就被阻塞了。最后发现相应被阻塞的端口 send-q一直很大。最后docker尝试使用net=host后故障消除。具体的原因还没有细究。留个言，给后面看专栏的同学一个教训吧。
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共 3 条评论
25
曹龙飞
2019-08-09
看了源码发现，这个地方讲的有问题.关于ss输出中listen状态套接字的Recv-Q表示全连接队列当前使用了多少,也就是全连接队列的当前长度,而Send-Q表示全连接队列的最大长度
共 3 条评论
14
Days
2019-02-09
老师春节不休息，大赞啊，老师可否讲解一下一个包从网卡接收，发送在内核协议栈的整个流程，这样性能分析的时候，更好的理解数据包阻塞在哪里？
作者回复: 这些在后面的案例中会涉及
12
[小狗]
2019-02-09
老师，您好 ss —lntp 这个当session处于listening中 rec-q 确定是 syn的backlog吗？我之前都是当做全队列的长度
作者回复: 是的
共 2 条评论
7
code2
2019-02-10
每期读两遍，看看别人怎么做!
作者回复: 👍
5
Aoser
2020-01-10
老师，listening状态下，Recv-Q和Send-Q应该分别指的是，当前全连接的使用数量和最大全连接可用数量，但是文中说成了是半连接。参考阿里技术博客：http://jm.taobao.org/2017/05/25/525-1/
共 1 条评论
4
mfj1st
2019-09-29
倪老师，虚拟机用ethtool获取不到网卡带宽，有其他方法吗？
3
我来也
2019-02-09
[D34打卡] 平常只用netstat 和 ifconfig ，前面的专栏里学了sar观测网络指标，今天又接触了两个类似的：ss和ip。平常遇到的网络问题比较简单，先看能否正常连上，再看看并发连接数。有时忘记执行ulimit -n会导致默认账号的一个进程同时打开文件数只有1024。除了带宽没买够，平常不会遇到网络方面的瓶颈，毕竟我们的业务处理数据的消耗比收发数据的消耗大得多。
展开
3
芥菜
2019-02-08
春节期间终于跟上节奏，春节里做到只长知识不长肉：）
2
Gaoyc
2019-02-22
通过ifconfig和ss看到的错误包或丢弃包等的一些错误是累加的嘛？是否可以清空这些错误包信息？
作者回复: 是的，都是累加值，所以不建议清空这些统计信息。并且，真正要清的化，也需要停止网卡并且卸载（rmmod）网卡内核模块，这在实际环境中通常是不允许的。
2
Frank
2020-04-15
老师，网卡 dropped 不为零，而且还在增加，怎么排查问题哦？
共 1 条评论
1
hellojd_gk
2020-03-29
在阿里云ECS上执行如下命令，怎么啥也不返回 [root@iZ8vb31waukedizc39ffofZ ~]# ethtool eth0 Settings for eth0: Link detected: yes
共 1 条评论
1
南山
2020-03-29
有点看到本质的感觉，赞
1
arch
2019-12-26
<b>ethtool eth0 | grep Speed</b> 这个命令不管用，查不出带宽大小？
共 4 条评论
1
zhoufeng
2019-05-21
老师好，再请教一个问题，查看max_syn_backlog值为2048，表示同时最大只能接受2048个请求吗？ # cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 2048
作者回复: 不是，这只是半连接的最大数量
1
zhoufeng
2019-05-21
老师好， “当套接字处于listen状态时，使用ss命令看到的Send-Q表示最大的syn_backlog值” 但是和/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 查看到的值不一致，是我理解错了吗？谢谢
作者回复: 前一个是套接字级的，后一个是系统级的
1
MJ
2019-03-12
老师，有一事疑惑，希望帮忙解惑。一台64个千兆端口的交换机，全双工模式，交换容量计算：64*1000*2 包转发速率计算：64*1.488Mpp 交换容量有个乘以2，为什么包转发速率不需要乘以2？（我理解，端口速率1000bps，在全双工模式下，按照双向速率计算，即总速率是2000bps）
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作者回复: 嗯嗯，说转发性能的时候一般都是指一个方向的
1
好好学习
2019-03-09
eth0: flags=4163 这个什么意思，有点好奇
作者回复: 网络接口的一些标志，含义在尖括号中
1
bzadhere
2019-03-07
netstat -nta 命令看到Listening状态下的Send-Q 值都是0，用man netstat 看到说明和实际情况不一样；然后用ss -lnt 看到Send-Q 非0，应该怎么理解？ [root@localhost ~]# man netstat ...... Recv-Q Established: The count of bytes not copied by the user program connected to this socket. Listening: Since Kernel 2.6.18 this column contains the current syn backlog. Send-Q Established: The count of bytes not acknowledged by the remote host. Listening: Since Kernel 2.6.18 this column contains the maximum size of the syn backlog. ....... [root@localhost ~]# netstat -tna Active Internet connections (servers and established) Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State tcp 0 0 0.0.0.0:21 0.0.0.0:* LISTEN tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN tcp 0 0 127.0.0.1:25 0.0.0.0:* LISTEN tcp 0 0 192.168.137.20:22 192.168.137.1:52521 ESTABLISHED tcp6 0 0 :::22 :::* LISTEN tcp6 0 0 ::1:25 :::* LISTEN [root@localhost ~]# ss -lnt State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port LISTEN 0 32 *:21 *:* LISTEN 0 128 *:22 *:* LISTEN 0 100 127.0.0.1:25 *:* LISTEN 0 128 :::22 :::* LISTEN 0 100 ::1:25 :::*
展开
作者回复: 可能是版本问题，可以查查 ss 的 manual 上含义是一样的吗
1

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