我们可以从应用程序、套接字、传输层、网络层以及链路层等几个角度，分别来看网络性能优化的基本思路。 应用程序 应用程序，通常通过套接字接口进行网络操作。由于网络收发通常比较耗时，所以应用程序的优化，主要就是对网络 I/O 和进程自身的工作模型的优化。 1).用最常用的 I/O 多路复用技术 epoll，主要用来取代 select 和 poll。这其实是解决 C10K 问题的关键，也是目前很多网络应用默认使用的机制。 2).使用异步 I/O（Asynchronous I/O，AIO）。AIO 允许应用程序同时发起很多 I/O 操作，而不用等待这些操作完成。等到 I/O 完成后，系统会用事件通知的方式，告诉应用程序结果。不过，AIO 的使用比较复杂，你需要小心处理很多边缘情况。
从进程的工作模型来说，也有两种不同的模型用来优化。 1).主进程 + 多个 worker 子进程。其中，主进程负责管理网络连接，而子进程负责实际的业务处理。这也是最常用的一种模型。 2).监听到相同端口的多进程模型。在这种模型下，所有进程都会监听相同接口，并且开启 SO_REUSEPORT 选项，由内核负责，把请求负载均衡到这些监听进程中去。
除了网络 I/O 和进程的工作模型外，应用层的网络协议优化，也至关重要 1).使用长连接取代短连接，可以显著降低 TCP 建立连接的成本。在每秒请求次数较多时，这样做的效果非常明显。 2).使用内存等方式，来缓存不常变化的数据，可以降低网络 I/O 次数，同时加快应用程序的响应速度。 3).使用 Protocol Buffer 等序列化的方式，压缩网络 I/O 的数据量，可以提高应用程序的吞吐。 4).使用 DNS 缓存、预取、HTTPDNS 等方式，减少 DNS 解析的延迟，也可以提升网络 I/O 的整体速度。
套接字 套接字可以屏蔽掉 Linux 内核中不同协议的差异，为应用程序提供统一的访问接口。每个套接字，都有一个读写缓冲区。 • 读缓冲区，缓存了远端发过来的数据。如果读缓冲区已满，就不能再接收新的数据。 • 写缓冲区，缓存了要发出去的数据。如果写缓冲区已满，应用程序的写操作就会被阻塞。
所以，为了提高网络的吞吐量，你通常需要调整这些缓冲区的大小。比如：
• 增大每个套接字的缓冲区大小 net.core.optmem_max；
• 增大套接字接收缓冲区大小 net.core.rmem_max 和发送缓冲区大小 net.core.wmem_max；
• 增大 TCP 接收缓冲区大小 net.ipv4.tcp_rmem 和发送缓冲区大小 net.ipv4.tcp_wmem。
有几点需要你注意:
• tcp_rmem 和 tcp_wmem 的三个数值分别是 min，default，max，系统会根据这些设置，自动调整 TCP 接收 / 发送缓冲区的大小。
• udp_mem 的三个数值分别是 min，pressure，max，系统会根据这些设置，自动调整 UDP 发送缓冲区的大小。
当然，表格中的数值只提供参考价值，具体应该设置多少，还需要你根据实际的网络状况来确定。 比如，发送缓冲区大小，理想数值是吞吐量 * 延迟，这样才可以达到最大网络利用率。
除此之外，套接字接口还提供了一些配置选项，用来修改网络连接的行为： • 为 TCP 连接设置 TCP_NODELAY 后，就可以禁用 Nagle 算法； • 为 TCP 连接开启 TCP_CORK 后，可以让小包聚合成大包后再发送（注意会阻塞小包的发送）； • 使用 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF ，可以分别调整套接字发送缓冲区和接收缓冲区的大小。
传输层 传输层最重要的是 TCP 和 UDP 协议，所以这儿的优化，其实主要就是对这两种协议的优化。
TCP优化 对TCP的优化分为几种场景: 1.在请求数比较大的场景下，你可能会看到大量处于 TIME_WAIT 状态的连接，它们会占用大量内存和端口资源。 这时，我们可以优化与 TIME_WAIT 状态相关的内核选项，比如采取下面几种措施。 • 增大处于 TIME_WAIT 状态的连接数量 net.ipv4.tcp_max_tw_buckets ，并增大连接跟踪表的大小 net.netfilter.nf_conntrack_max。 • 减小 net.ipv4.tcp_fin_timeout 和 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait ，让系统尽快释放它们所占用的资源。 • 开启端口复用 net.ipv4.tcp_tw_reuse。这样，被 TIME_WAIT 状态占用的端口，还能用到新建的连接中。 • 增大本地端口的范围 net.ipv4.ip_local_port_range 。这样就可以支持更多连接，提高整体的并发能力。 • 增加最大文件描述符的数量。你可以使用 fs.nr_open 和 fs.file-max ，分别增大进程和系统的最大文件描述符数；或在应用程序的 systemd 配置文件中，配置 limitnofile ，设置应用程序的最大文件描述符数。
2.为了缓解 SYN FLOOD 等，利用 TCP 协议特点进行攻击而引发的性能问题，你可以考虑优化与 SYN 状态相关的内核选项，比如采取下面几种措施。 • 开启 TCP SYN Cookies net.ipv4.tcp_syncookies ，来绕开半连接数量限制的问题。 • 减少 SYN_RECV 状态的连接重传 SYN+ACK 包的次数 net.ipv4.tcp_synack_retries。
3.在长连接的场景中，通常使用 Keepalive 来检测 TCP 连接的状态，以便对端连接断开后，可以自动回收。但是，系统默认的 Keepalive 探测间隔和重试次数，一般都无法满足应用程序的性能要求。所以，这时候你需要优化与 Keepalive 相关的内核选项，比如：
• 缩短最后一次数据包到 Keepalive 探测包的间隔时间 net.ipv4.tcp_keepalive_time；
• 缩短发送 Keepalive 探测包的间隔时间 net.ipv4.tcp_keepalive_intvl；
• 减少 Keepalive 探测失败后，一直到通知应用程序前的重试次数 net.ipv4.tcp_keepalive_probes。
UDP优化 UDP 提供了面向数据报的网络协议，它不需要建立连接，也不提供可靠性保障。 所以，UDP 优化，相对于 TCP 来说，要简单得多。这里我也总结了常见的几种优化方案。 • 跟套接字部分提到的一样，增大套接字缓冲区大小以及 UDP 缓冲区范围； • 跟 TCP 部分提到的一样，增大本地端口号的范围； • 根据 MTU 大小，调整 UDP 数据包的大小，减少或者避免分片的发生
网络层 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，包括 IP、ICMP 等常见协议。在网络层，最主要的优化，其实就是对路由、 IP 分片以及 ICMP 等进行调优。 第一种，从路由和转发的角度出发，你可以调整下面的内核选项。 • 在需要转发的服务器中，比如用作 NAT 网关的服务器或者使用 Docker 容器时，开启 IP 转发，即设置 net.ipv4.ip_forward = 1。 • 调整数据包的生存周期 TTL，比如设置 net.ipv4.ip_default_ttl = 64。注意，增大该值会降低系统性能。 • 开启数据包的反向地址校验，比如设置 net.ipv4.conf.eth0.rp_filter = 1。这样可以防止 IP 欺骗，并减少伪造 IP 带来的 DDoS 问题。
第二种，从分片的角度出发，最主要的是调整 MTU（Maximum Transmission Unit）的大小。 以太网标准规定，一个网络帧最大为 1518B，那么去掉以太网头部的 18B 后，剩余的 1500 就是以太网 MTU 的大小。 在使用 VXLAN、GRE 等叠加网络技术时，要注意，网络叠加会使原来的网络包变大，导致 MTU 也需要调整。 如 VXLAN 在原来报文的基础上，增加了 14B 的以太网头部、 8B 的 VXLAN 头部、8B 的 UDP 头部以及 20B 的 IP 头部。每个包比原来增大了 50B。 所以，我们就需要把交换机、路由器等的 MTU，增大到 1550， 或者把 VXLAN 封包前（比如虚拟化环境中的虚拟网卡）的 MTU 减小为 1450。 另外，现在很多网络设备都支持巨帧，如果是这种环境，你还可以把 MTU 调大为 9000，以提高网络吞吐量。
第三种，从 ICMP 的角度出发，为了避免 ICMP 主机探测、ICMP Flood 等各种网络问题，你可以通过内核选项，来限制 ICMP 的行为。 • 可以禁止 ICMP 协议，即设置 net.ipv4.icmp_echo_ignore_all = 1。这样，外部主机就无法通过 ICMP 来探测主机。 • 还可以禁止广播 ICMP，即设置 net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts = 1。
链路层 网络层的下面是链路层，我们再来看链路层的优化方法。 链路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。自然，链路层的优化，也是围绕这些基本功能进行的。接下来，我们从不同的几个方面分别来看。 由于网卡收包后调用的中断处理程序（特别是软中断），需要消耗大量的 CPU。 所以，将这些中断处理程序调度到不同的 CPU 上执行，就可以显著提高网络吞吐量。这通常可以采用下面两种方法。 • 为网卡硬中断配置 CPU 亲和性（smp_affinity），或者开启 irqbalance 服务。 • 开启 RPS（Receive Packet Steering）和 RFS（Receive Flow Steering），将应用程序和软中断的处理，调度到相同 CPU 上，这样就可以增加 CPU 缓存命中率，减少网络延迟。
另外，现在的网卡都有很丰富的功能，原来在内核中通过软件处理的功能，可以卸载到网卡中，通过硬件来执行。 • TSO（TCP Segmentation Offload）和 UFO（UDP Fragmentation Offload）：在 TCP/UDP 协议中直接发送大包；而 TCP 包的分段（按照 MSS 分段）和 UDP 的分片（按照 MTU 分片）功能，由网卡来完成 。 • GSO（Generic Segmentation Offload）：在网卡不支持 TSO/UFO 时，将 TCP/UDP 包的分段，延迟到进入网卡前再执行。这样，不仅可以减少 CPU 的消耗，还可以在发生丢包时只重传分段后的包。 • LRO（Large Receive Offload）：在接收 TCP 分段包时，由网卡将其组装合并后，再交给上层网络处理。不过要注意，在需要 IP 转发的情况下，不能开启 LRO，因为如果多个包的头部信息不一致，LRO 合并会导致网络包的校验错误。 • GRO（Generic Receive Offload）：GRO 修复了 LRO 的缺陷，并且更为通用，同时支持 TCP 和 UDP。 • RSS（Receive Side Scaling）：也称为多队列接收，它基于硬件的多个接收队列，来分配网络接收进程，这样可以让多个 CPU 来处理接收到的网络包。 • VXLAN 卸载：也就是让网卡来完成 VXLAN 的组包功能。
最后，对于网络接口本身，也有很多方法，可以优化网络的吞吐量。 • 开启网络接口的多队列功能。这样，每个队列就可以用不同的中断号，调度到不同 CPU 上执行，从而提升网络的吞吐量。 • 增大网络接口的缓冲区大小，以及队列长度等，提升网络传输的吞吐量（注意，这可能导致延迟增大）。 • 使用 Traffic Control 工具，为不同网络流量配置 QoS。
