《Linux性能优化实战》笔记（十七）—— Linux网络基础与性能指标

一、 网络模型

1. OSI 网络模型（七层）

为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为七层，每个层负责不同的功能。其中，

• 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

2. TCP/IP 网络模型

由于OSI 模型太复杂，也没能提供一个可实现的方法。所以在 Linux 中，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。

• 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

 

2. 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。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。封装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。

• 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；
• 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头；
• 而网络接口层，又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。
   

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，默认 1500），就规定了最大的 IP 包大小。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。

Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构

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。

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。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。

三、 Linux 网络收发流程

图左边为网络包的接收流程，右边为发送流程

1. 网络包的发送流程

• 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。

 

2. 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。

 

四、 性能指标

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。

 

五、 指标监控

1. 查看网络配置

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。

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。

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。

• 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。
• MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同，你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
• 网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。
• 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。

 

2. 套接字信息

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。

# 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 的输出类似，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）。
• 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。
• 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。

 

3. 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。

4. 网络吞吐和 PPS

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

• 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。

$ ethtool eth0 | grep Speed
  Speed: 1000Mb/s

 

5. 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。

# -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。