34丨关于Linux网络,你必须知道这些(下)

上一节,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 syn backlog 的当前值。
  • 而 Send-Q 表示最大的 syn backlog 值。
而 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。
 
顾名思义,所谓半连接,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。
 
而全连接,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

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:
 
$ 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。

34丨关于Linux网络,你必须知道这些(下)

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