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：