我们一起学习了文件系统和磁盘 I/O 的工作原理,以及相应的性能分析和优化方法。接下来,我们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。
由于网络处理的流程最复杂,跟我们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O 等都密不可分,所以,我把网络模块作为最后一个资源模块来讲解。
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
说到网络,我想你肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡,或者三层设备、二层设备等等。那么,这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢?
实际上,这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model),简称为 OSI 网络模型。
- 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
但是 OSI 模型还是太复杂了,也没能提供一个可实现的方法。所以,在 Linux 中,我们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。
为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系,我画了一张图,如下所示:
当然了,虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型,实现了网络协议栈,但在平时的学习交流中,我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如,说到七层和四层负载均衡,对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层(而它们对应到 TCP/IP 模型中,实际上是四层和三层)。
OSI七层和TCP/IP四层的关系
OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念,TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。
OSI先有模型,后有协议,先有标准,后进行实践;而TCP/IP则相反,先有协议和应用再提出了模型,且是参照的OSI模型。
OSI是一种理论下的模型,而TCP/IP已被广泛使用,成为网络互联事实上的标准。
Linux 网络栈
有了 TCP/IP 模型后,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。
当然,网络包在每一层的处理逻辑,都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层,一个提供 REST API 的应用,可以使用 HTTP 协议,把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中,然后向下传递给 TCP 层。
而封装做的事情就很简单了,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。
比如,以通过 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。
这些新增的头部和尾部,增加了网络包的大小,但我们都知道,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。在我们最常用的以太网中,MTU 默认值是 1500(这也是 Linux 的默认值)。
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。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后,你很容易能想到,Linux 内核中的网络栈,其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示,就是 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。
Linux 网络收发流程
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
了解网络包的接收流程后,就很容易理解网络包的发送流程。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。
小结
多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起,构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性,国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型,但是这个模型过于复杂,实际工作中的事实标准,是更为实用的 TCP/IP 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,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,先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理,最终再送到网卡发送出去。
- 而接收时,同样先经过网络栈从下到上的逐层处理,最终才会送到应用程序。
FAQ
我结合网络上查阅的资料和文章中的内容,总结了下网卡收发报文的过程,不知道是否正确:
- 内核分配一个主内存地址段(DMA缓冲区),网卡设备可以在DMA缓冲区中读写数据(应该是网络包到了之后,才分配DMA缓冲区
) - 当来了一个网络包,网卡将网络包写入DMA缓冲区,写完后通知CPU产生硬中断
- 硬中断处理程序锁定当前DMA缓冲区,然后将网络包拷贝到另一块内存区,清空并解锁当前DMA缓冲区,然后通知软中断去处理网络包。
当发送数据包时,与上述相反。链路层将数据包封装完毕后,放入网卡的DMA缓冲区,并调用系统硬中断,通知网卡从缓冲区读取并发送数据。
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。
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。
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-azure (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:
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
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。
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
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