Linux网络

本质上是一种进程间通信方式，跨系统的进程间通信，

网络模型

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） OSI 网络模型。

OSI

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应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层

• 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。

太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。

TCP/IP

在 Linux 中，是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。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。

七层和四层负载均衡

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http和三层TCP）。

Linux 网络栈

在进行网络传输时，数据包会按照协议栈，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。

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。封装做的事情就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。

1. 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；
2. 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头；
3. 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），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。

Linux 内核中的网络 栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构：

processon

1. 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；
2. 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；
3. 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。

以物理网卡为例的Linux 网络收发流程

Linux 还支持众多的虚拟网络设备，它们的网络收发流程会有一些差别。

网络包的接收流程

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. 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. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。

网络包的发送流程

1. 应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。
2. 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。 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。
4. 软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。
5. 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。

性能指标

• 带宽，表示链路的最大传输速率，单位通常为 b/s （比特 / 秒）。
  • 网卡确定后，带宽也就确定 了（当然，实际带宽会受限于整个网络链路中最小的那个模块）
• 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。
  • 很多地方听说过“网络带宽测试”，这里测试的实际上不是带宽，而是网络 吞吐量。Linux 服务器的网络吞吐量一般会比带宽小，而对交换机等专门的网络设备来说， 吞吐量一般会接近带宽。
• 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。通常用在需要大量转发的场景中。而 对 TCP 或者 Web 服务来说，更多会用并发连接数和每秒请求数（QPS，Query per Second）等指标，它们更能反应实际应用程序的性能。
• 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。

查看网络接口的配置和状态ip 或 ifconfig

ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。

ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 nettools 的下一代。

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。

1. 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。
2. MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
3. 网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。
4. 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：
   1. errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
   2. 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；
   3. 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；
   4. 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；
   5. collisions 表示碰撞数据包数。

套接字信息netstat 或 ss

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。

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）。

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

-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

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。

接收队列和发送队列

• 接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）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。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。

半连接和全连接

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。

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 netstat 或 ss

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。

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 sar -n DEV 1

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。

数字 1 表示每隔 1 秒输出一组数据

• 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。

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。

连通性和延时ping

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

• 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。
• 三次 ICMP 请求的汇总。

C10K 和 C1000K

C 是 Client 的缩写。C10K 就是单机同时处理 1 万个请 求（并发连接 1 万）的问题，而 C1000K 也就是单机支持处理 100 万个请求（并发连接 100 万）的问题。

C10K 问题的根源，一方面在于系统有限的资源；另一方面，是同步阻 塞的 I/O 模型以及轮询的套接字接口，限制了网络事件的处理效率。Linux 2.6 中引入的 epoll ，完美解决了 C10K 的问题，现在的高性能网络方案都基于 epoll。

从 C10K 到 C100K ，可能只需要增加系统的物理资源就可以满足；

但从 C100K 到 C1000K ，就不仅仅是增加物理资源就能解决的问题了。从硬件的中断处理和网络功能卸载、到网络协议栈的文件描述符数量、连接状态跟踪、 缓存队列等内核的优化，再到应用程序的工作模型优化，都是考虑的重点。

实现 C10M ，就不只是增加物理资源，或者优化内核和应用程序可以解决的问题了。这时候，就需要用 XDP 的方式，在内核协议栈之前处理网络包；或者用 DPDK 直 接跳过网络协议栈，在用户空间通过轮询的方式直接处理网络包。

实际上，在大多数场景中，我们并不需要单机并发 1000 万的请求。通过调整系统 架构，把这些请求分发到多台服务器中来处理，通常是更简单和更容易扩展的方案。

C10K 问题

C10K 问题最早由 Dan Kegel 在 1999 年提出。那时的服务器还只是 32 位系统，运行着 Linux 2.2 版本（后来又升级到了 2.4 和 2.6，而 2.6 才支持 x86_64），只配置了很少的内 存（2GB）和千兆网卡。

对 2GB 内存和千兆网卡的服务器来说，同时处理 10000 个请求，只要每个请求处理占用不到 200KB（2GB/10000）的内存和 100Kbit （1000Mbit/10000）的网络带宽就可以。物理资源是足够的，接下来自然是软件的问题，特别是网络的 I/O 模型问题。

网络IO模型概念

文件 I/O与网络 I/O 模型类 似。

在 C10K 以前，Linux 中网络处理都用同步阻塞的方式，也就是每个请求都分配一个进程或者线程。进程或线程的调度、上下文切换乃至它们占用的内存，都会成为瓶颈。

• 在一个线程内响应多个网络 I/O。是不是可以用非阻塞 I/O 或者异步 I/O 来处理多个网络请求呢？
• 用更少的线程来服务这些请求。是不是可以继续用原来的 100 个或者更少的线程，来服务现在的 10000 个请求呢？

两种 I/O 事件通知的方式：水平触发和边缘触发

它们常用 在套接字接口的文件描述符中。

• 水平触发：只要文件描述符可以非阻塞地执行 I/O ，就会触发通知。也就是说，应用程序可以随时检查文件描述符的状态，然后再根据状态，进行 I/O 操作。
• 边缘触发：只有在文件描述符的状态发生改变（也就是 I/O 请求达到）时，才发送一次 通知。这时候，应用程序需要尽可能多地执行 I/O，直到无法继续读写，才可以停止。如果 I/O 没执行完，或者因为某种原因没来得及处理，那么这次通知也就丢失了。

C10K 问题--网络IO模型优化--多路复用

1. 使用非阻塞 I/O 和水平触发通知，比如使用 select 或者 poll。

select 和 poll 需要从文件描述符列表中，找出哪些可以执行 I/O ，然后进行真正的网络 I/O 读写。由于 I/O 是非阻塞的，一个线程中就可以同时监控 一批套接字的文件描述符，这样就达到了单线程处理多请求的目的。

• 优点：对应用程序比较友好，它的 API 非常简单。
• 缺点：应用软件使用 select 和 poll 时，需要对这些文件描述符列表进行轮询，这样，请求数多的时候就会比较耗时。
  • select 使用固定长度的位相量，表示文件描述符的集合，因此会有最大描述符数量的限制。比如，在 32 位系统中，默认限制是 1024。并且，在 select 内部，检查套接字状态是用轮询的方法，再加上应用软件使用时的轮询，就变成了一个 O(n^2) 的关系。
  • poll 改进了 select 的表示方法，换成了一个没有固定长度的数组，这样就没有了最大描 述符数量的限制（当然还会受到系统文件描述符限制）。但应用程序在使用 poll 时，同样 需要对文件描述符列表进行轮询，这样，处理耗时跟描述符数量就是 O(N) 的关系。
  • 每次调用 select 和 poll 时，还需要把文件描述符的集合，从用户空间 传入内核空间，由内核修改后，再传出到用户空间中。这一来一回的内核空间与用户空间切 换，也增加了处理成本。

2. 使用非阻塞 I/O 和边缘触发通知，比如 epoll。

epoll 使用红黑树，在内核中管理文件描述符的集合，这样，就不需要应用程序在每次操 作时都传入、传出这个集合。

epoll 使用事件驱动的机制，只关注有 I/O 事件发生的文件描述符，不需要轮询扫描整个 集合。

epoll 是在 Linux 2.6 中才新增的功能（2.4 虽然也有，但功能不完善）。

边缘触发只在文件描述符可读或可写事件发生时才通知，那么应用程序就需要尽可能多地执行 I/O，并要处理更多的异常事件。

3. 使用异步 I/O（Asynchronous I/O，简称为 AIO）

异步 I/O 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。而在 I/O 完成后，系统会用事件通知（比如信号或者回 调函数）的方式，告诉应用程序。这时，应用程序才会去查询 I/O 操作的结果。

异步 I/O 也是到了 Linux 2.6 才支持的功能，并且在很长时间里都处于不完善的状态，比如 glibc 提供的异步 I/O 库，就一直被社区诟病。同时，由于异步 I/O 跟我们的直观逻辑不太 一样，想要使用的话，一定要小心设计，其使用难度比较高。

工作模型优化

主进程 + 多个 worker 子进程

1. 主进程执行 bind() + listen() 后，创建多个子进程；初始化套接字，并管理子进程的生命周期
2. 每个子进程中，都通过 accept() 或 epoll_wait() ，来处理相同的套接字。负责实际的请求处理。

最常用的反向代理服务器 Nginx 就是这么工作的。

accept() 和 epoll_wait() 调用，还存在一个惊群的问题。换句话说，当网络 I/O 事件发生时，多个进程被同时唤醒，但实际上只有一个进程来响应这个事件，其他被唤 醒的进程都会重新休眠。

accept() 的惊群问题，已经在 Linux 2.6 中解决了； 而 epoll 的问题，到了 Linux 4.5 ，才通过 EPOLLEXCLUSIVE 解决。

为了避免惊群问题， Nginx 在每个 worker 进程中，都增加一个了全局锁 （accept_mutex）。这些 worker 进程需要首先竞争到锁，只有竞争到锁的进程，才会加入到 epoll 中，这样就确保只有一个 worker 子进程被唤醒。

为什么使用多进程模式的 Nginx ，却具有非常好的性能呢？

进程的管理、调度、上下文切换的成本 非常高。

这些 worker 进程，实际上并不需要经常创建和销毁，而是在没任务时休眠，有任务时唤醒。只有在 worker 由于某些异常退出时，主进程才需要创建新 的进程来代替它。

也可以用线程代替进程：主线程负责套接字初始化和子线程状态的管理，而子线程 则负责实际的请求处理。由于线程的调度和切换成本比较低，实际上你可以进一步把 epoll_wait() 都放到主线程中，保证每次事件都只唤醒主线程，而子线程只需要负责后续的 请求处理。

监听到相同端口的多进程模型

所有的进程都监听相同的接口，并且开启 SO_REUSEPORT 选项，由内核负责将请求负载均衡到这些监听进程中去。

由于内核确保了只有一个进程被唤醒，就不会出现惊群问题了。比如，Nginx 在 1.9.1 中就 已经支持了这种模式。

不过要注意，想要使用 SO_REUSEPORT 选项，需要用 Linux 3.9 以上的版本才可以。

C100K

基于 I/O 多路复用和请求处理的优化，C10K 问题很容易就可以解决。

随着摩尔定律 带来的服务器性能提升，C100K 和 C1000K，也就是并发从原 来的 1 万增加到 10 万、乃至 100 万。

还是基于 C10K 的这些理 论，epoll 配合线程池，再加上 CPU、内存和网络接口的性能和容量提升。大部分情况下， C100K 很自然就可以达到。

C1000K

首先从物理资源使用上来说，100 万个请求需要大量的系统资源。比如，假设每个请求需要 16KB 内存的话，那么总共就需要大约 15 GB 内存。而从带宽上来说，假设只有 20% 活跃连接，即使每个连接只需要 1KB/s 的吞吐量，总共 也需要 1.6 Gb/s 的吞吐量。千兆网卡显然满足不了这么大的吞吐量，所以还需要配置万 兆网卡，或者基于多网卡 Bonding 承载更大的吞吐量。

其次，从软件资源上来说，大量的连接也会占用大量的软件资源，比如文件描述符的数量、 连接状态的跟踪（CONNTRACK）、网络协议栈的缓存大小（比如套接字读写缓存、TCP 读写缓存）等等。

最后，大量请求带来的中断处理，也会带来非常高的处理成本。这样，就需要多队列网卡、 中断负载均衡、CPU 绑定、RPS/RFS（软中断负载均衡到多个 CPU 核上），以及将网络包 的处理卸载（Offload）到网络设备（如 TSO/GSO、LRO/GRO、VXLAN OFFLOAD）等 各种硬件和软件的优化。

C1000K 的解决方法，本质上还是构建在 epoll 的非阻塞 I/O 模型上。只不过，除了 I/O 模型之外，还需要从应用程序到 Linux 内核、再到 CPU、内存和网络等各个层次的深度优 化，特别是需要借助硬件，来卸载那些原来通过软件处理的大量功能。

C10M

在单机中，同时处理 1000 万的请求呢？在 C1000K 问题中，各种软件、硬件的优化很可能都已经做到头了。特别是当升 级完硬件（比如足够多的内存、带宽足够大的网卡、更多的网络功能卸载等）后，你可能会 发现，无论你怎么优化应用程序和内核中的各种网络参数，想实现 1000 万请求的并发，都 是极其困难的。 究其根本，还是 Linux 内核协议栈做了太多太繁重的工作。从网卡中断带来的硬中断处理 程序开始，到软中断中的各层网络协议处理，最后再到应用程序，这个路径实在是太长了， 就会导致网络包的处理优化，到了一定程度后，就无法更进一步了。

要解决这个问题，最重要就是跳过内核协议栈的冗长路径，把网络包直接送到要处理的应用 程序那里去。这里有两种常见的机制，DPDK 和 XDP。

• DPDK，是用户态网络的标准。它跳过内核协议栈，直接由用户态进程通过轮 询的方式，来处理网络接收。

（图片来自 https://blog.selectel.com/introduction-dpdk-architecture-principles/）

轮询低效是因是查询时间明显多于实际工作时间的情况，如果每 时每刻都有新的网络包需要处理，轮询的优势就很明显了。

在 PPS 非常高的场景中，查询时间比实际工作时间少了很多，绝大部分时间都在处理网 络包；

而跳过内核协议栈后，就省去了繁杂的硬中断、软中断再到 Linux 网络协议栈逐层处理 的过程，应用程序可以针对应用的实际场景，有针对性地优化网络包的处理逻辑，而不需 要关注所有的细节。

此外，DPDK 还通过大页、CPU 绑定、内存对齐、流水线并发等多种机制，优化网络包的 处理效率。

• XDP（eXpress Data Path），则是 Linux 内核提供的一种高性能网络数据路 径。它允许网络包，在进入内核协议栈之前，就进行处理，也可以带来更高的性能。XDP 底层基于 Linux 内核的 eBPF 机制实现的。

（图片来自 https://www.iovisor.org/technology/xdp） XDP 对内核的要求比较高，需要的是 Linux 4.8 以上版本，并且它也不提供 缓存队列。基于 XDP 的应用程序通常是专用的网络应用，常见的有 IDS（入侵检测系 统）、DDoS 防御、 cilium 容器网络插件等。