Linux性能优化实战学习笔记：第三十四讲

一、上节回顾

上一节，我带你学习了 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？

二、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。

三、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：

root@luoahong:~# ifconfig ens34
ens34: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.118.74  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.118.255
        inet6 fe80::20c:29ff:fe03:d3a7  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:03:d3:a7  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 460768  bytes 587423814 (587.4 MB)
        RX errors 0  dropped 100  overruns 0  frame 0
        TX packets 122590  bytes 29027840 (29.0 MB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

root@luoahong:~# ip -s addr show dev ens34
2: ens34: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:03:d3:a7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.118.74/24 brd 192.168.118.255 scope global dynamic ens34
       valid_lft 66745sec preferred_lft 66745sec
    inet6 fe80::20c:29ff:fe03:d3a7/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
    RX: bytes  packets  errors  dropped overrun mcast
    587440742  460987   0       100     0       0
    TX: bytes  packets  errors  dropped carrier collsns
    29036492   122677   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。

四、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：

root@luoahong:~# netstat -nlp|head -n 3
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Programname
tcp        0      0 127.0.0.53:53           0.0.0.0:*               LISTEN      840/systemd-resolve
root@luoahong:~# 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=1215,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。

1、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）。

2、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。

3、什么是半路连接？

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。

4、什么是全路连接？

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。

五、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：

root@luoahong:~# netstat -s
Ip:
    Forwarding: 1
    207047 total packets received
    2 with invalid addresses
    216 forwarded
    0 incoming packets discarded
    206829 incoming packets delivered
    119198 requests sent out
    20 outgoing packets dropped
Icmp:
    43 ICMP messages received
    0 input ICMP message failed
    ICMP input histogram:
        destination unreachable: 40
        echo requests: 1
        echo replies: 2
    117 ICMP messages sent
    0 ICMP messages failed
    ICMP output histogram:
        destination unreachable: 114
        echo requests: 2
        echo replies: 1
IcmpMsg:
        InType0: 2
        InType3: 40
        InType8: 1
        OutType0: 1
        OutType3: 114
        OutType8: 2
Tcp:
    415 active connection openings
    3 passive connection openings
    0 failed connection attempts
    7 connection resets received
    1 connections established
    196251 segments received
    124187 segments sent out
    52 segments retransmitted
    0 bad segments received
    226 resets sent
Udp:
    1042 packets received
    139 packets to unknown port received
    0 packet receive errors
    1084 packets sent
    0 receive buffer errors
    0 send buffer errors
    IgnoredMulti: 9264
UdpLite:
TcpExt:
    5 TCP sockets finished time wait in fast timer
    149 delayed acks sent
    9 delayed acks further delayed because of locked socket
    Quick ack mode was activated 3 times
    161413 packet headers predicted
    12736 acknowledgments not containing data payload received
    2975 predicted acknowledgments
    TCPTimeouts: 10
    TCPLossProbes: 13
    TCPLossProbeRecovery: 2
    TCPDSACKOldSent: 3
    TCPDSACKRecv: 9
    6 connections reset due to unexpected data
    7 connections reset due to early user close
    TCPDSACKIgnoredNoUndo: 2
    TCPRcvCoalesce: 91930
    TCPOFOQueue: 10697
    TCPAutoCorking: 1357
    TCPSynRetrans: 40
    TCPOrigDataSent: 27150
    TCPHystartTrainDetect: 1
    TCPHystartTrainCwnd: 16
    TCPKeepAlive: 4
IpExt:
    InBcastPkts: 9264
    InOctets: 580667049
    OutOctets: 23375191
    InBcastOctets: 1053751
    InNoECTPkts: 424052
root@luoahong:~# ss -s
Total: 556 (kernel 2442)
TCP:   4 (estab 1, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 0

Transport Total     IP        IPv6
*	  2442      -         -
RAW	  1         0         1
UDP	  2         2         0
TCP	  4         3         1
INET	  7         5         2
FRAG	  0         0         0

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。

六、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：

root@luoahong:~# sar -n DEV 1
Linux 4.15.0-48-generic (luoahong) 	09/03/2019 	_x86_64_	(2 CPU)
04:51:51 PM     IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
04:51:52 PM     ens34      4.95      0.99      0.52      0.80      0.00      0.00      0.00      0.00
04:51:52 PM        lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
04:51:52 PM   docker0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

04:51:52 PM     IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
04:51:53 PM     ens34      3.00      1.00      0.18      0.81      0.00      0.00      0.00      0.00
04:51:53 PM        lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
04:51:53 PM   docker0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
^C


Average:        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
Average:        ens34      3.66      1.26      0.31      0.79      0.00      0.00      0.00      0.00
Average:           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
Average:      docker0      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。

1、rxpck/s 和 txpck/s 分别是接收和发送的 PPS，单位为包 / 秒。
2、rxkB/s 和 txkB/s 分别是接收和发送的吞吐量，单位是 KB/ 秒。
3、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。
4、%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：

root@luoahong:~#ethtool eth0 | grep Speed
	Speed: 1000Mb/s

七、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：

root@luoahong:~# 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=70 time=22.7 ms
64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=2 ttl=76 time=25.1 ms
64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=3 ttl=89 time=23.2 ms

--- 114.114.114.114 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2005ms
rtt min/avg/max/mdev = 22.724/23.722/25.186/1.057 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 22.7ms，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 22.7ms。