linux 丢包排查思路简述

  • 概述
  • 网络包接收流程
  • 网络包发送流程
  • 丢包排查的思路
  • tcp排查方法
  • rdma排查方法
  • 网络工具汇总
  • 参考链接


概述

我们首先以tcp网络为例，谈谈linux系统如何收发网络包

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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。

  • 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，都按照特定的协议格式填充，想了解具体格式，你可以查看协议的文档。

比如，你可以查看这里，了解 TCP 头的格式。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。

如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：（图片参考《性能之巅》图 10.7 通用 IP 网络栈绘制）

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我们从上到下来看这个网络栈，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，作为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。（如果top时发现系统的si比较高，可以通过定位/proc/softirqs中增长较快的软中断从而定位问题。）

理解了上述架构，我们就不难理解，为什么tcp的收发过程会牵涉到如下几个缓冲区：

  • 网卡收发网络包时，通过 DMA 方式交互的环形缓冲区；
  • 网卡中断处理程序为网络帧分配的，内核数据结构 sk_buff 缓冲区；
  • 应用程序通过套接字接口，与网络协议栈交互时的套接字缓冲区。

网络包接收流程

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  1. 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。

网络包发送流程

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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

丢包排查的思路

理解了linux网络栈的原理，我们就不难去定位丢包问题，

  1. 如果是出向丢包，那么肯定是网络包发送流程出了问题，所以排查第一步是找到什么网络包出现了丢包重传。然后再根据网络包发送流程分析丢包原因
  2. 如果是入向丢包，那么肯定是网络包接收流程出了问题，常见的问题如网络缓冲器满了等

关于丢包及其分析设计网络栈、内核栈的各个层面，笔者在也仅仅稍懂皮毛，欢迎读者踊跃补充。

我们可以使用ifconfig可以查看网络丢包情况

$ ifconfig net0
net0: flags=6211<UP,BROADCAST,RUNNING,SLAVE,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 98:03:9b:8c:63:3a  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 46725983  bytes 9200932091 (8.5 GiB)
        RX errors 0  dropped 48193  overruns 0  frame 0
        TX packets 127710842  bytes 127005910250 (118.2 GiB)
        TX errors 1  dropped 0 overruns 0  carrier 1  collisions 0
  • RX errors: 表示总的收包的错误数量，这包括 too-long-frames 错误，Ring Buffer 溢出错误，crc 校验错误，帧同步错误，fifo overruns 以及 missed pkg 等等。
  • RX dropped: 表示数据包已经进入了 Ring Buffer，但是由于内存不够等系统原因，导致在拷贝到内存的过程中被丢弃。
  • RX overruns: 表示了 fifo 的 overruns，这是由于 Ring Buffer(aka Driver Queue) 传输的 IO 大于 kernel 能够处理的 IO 导致的，而 Ring Buffer 则是指在发起 IRQ 请求之前的那块 buffer。很明显，overruns 的增大意味着数据包没到 Ring Buffer 就被网卡物理层给丢弃了，而 CPU 无法即使的处理中断是造成 Ring Buffer 满的原因之一
  • RX frame: 表示 misaligned 的 frames。

对于 TX 的来说，出现上述 counter 增大的原因主要包括 aborted transmission, errors due to carrirer, fifo error, heartbeat erros 以及 windown error，而 collisions 则表示由于 CSMA/CD 造成的传输中断。

dropped与overruns的区别：

  • dropped，表示这个数据包已经进入到网卡的接收缓存fifo队列，并且开始被系统中断处理准备进行数据包拷贝（从网卡缓存fifo队列拷贝到系统内存），但由于此时的系统原因（比如内存不够等）导致这个数据包被丢掉，即这个数据包被Linux系统丢掉。
  • overruns，表示这个数据包还没有被进入到网卡的接收缓存fifo队列就被丢掉，因此此时网卡的fifo是满的。为什么fifo会是满的？因为系统繁忙，来不及响应网卡中断，导致网卡里的数据包没有及时的拷贝到系统内存，fifo是满的就导致后面的数据包进不来，即这个数据包被网卡硬件丢掉。所以，个人觉得遇到overruns非0，需要检测cpu负载与cpu中断情

tcp排查方法

tcp丢包排查方法和工具集比较健全，手段也比较多，一般情况下，我们分析tcp丢包主要分析出向丢包重传，通过在出向丢包的服务器上抓包，找到出问题的网络包和对端服务器。

这里仅举几个例子：

  1. 通过tcpdump抓包，然后使用wireshark使用过滤器tcp.analysis.retransmission找到重传的网络包。
  • wireshark抓重传包的原理是：由于tcp字段中没有重传相关的资源，因此wireshark通过扫描网络包中SEQ/ACK number, IP ID, source and destination IP address, TCP Port等字段，找到重复包，这些包就是丢包重传的包。
  1. tcpdump作为用户态进程，势必要消耗很多系统资源，如果丢包概率很低，丢包出现的时间也很短，使用tcpdump往往会无功而返，Brendan Gregg依托eBPF开发出了轻量级的tcp重传抓取工具: tcpretrans（包含在bcc工具集中）。这个工具它只抓取所有重传的包，具体的原理是借助Linux Kernel的ftrace机制在tcp_retransmit_skb这个函数加了一个hook来获取重传包的skb地址，然后以这个skb的地址作为hash key去/proc/net/tcp这个文件里面匹配tcp连接信息，然后把发生重传的这个tcp连接的信息(time,src,sport,dst,dport,state)给打印出来。由于它只抓取该服务器发出的重传包，所以它的系统开销是很小的，我们完全可以把它部署到服务器上一直运行着去抓包。

rdma排查方法

目前我遇到的系统(mlx cx4/cx5/cx6)，在rdma上主要的指标是入向丢包（out_of_order），其根因有如下几种情况：

  1. 入向丢包服务器的rdma网卡缓冲区拥塞，单凭ecn已经无法限制流量，因此网卡产生出向pfc，伴随有可能产生入向丢包。有关pfc可以查看笔者之前的文章 浅谈RDMA流控设计
  2. Roce 2网络链路上dscp配置出错，RDMA流量跑到了其他的网卡队里里，而其他的队列有可能是lossy模式，不能保证无损转发，因此导致丢包。排查步骤如下：
  • 打开roce v2的tcpdump支持ethtool --set-priv-flags net0 sniffer on（注意，使用完成之后记得关闭ethtool --set-priv-flags net0 sniffer off）
  • 使用tcpdump进行抓包，在wireshark中使用过滤器ip.dsfield.dscp，过滤出dscp错误的rdma包。如果存在，说明有dscp入错队列的rdma流量。
  • 也可以在抓包的时候使用参数过滤，如：tcpdump -i net2 '(ip and (ip[1] & 0xfc) >> 2 != 46)' -w rdma_retrans.pcap，该语句过滤掉了dscp等于46的网络包。
  • 抓到包后我们就知道了问题流量的src和dest在哪里，我们可以通过perftest（如ib_send_bw）工具打流确认。

网络工具汇总

tcp

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