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Linux網路包接收程序的監控與調優

2020-12-05 07:15:24 後端開發

上一篇文章中《圖解Linux網路包接收程序》，我們梳理了在Linux系統下一個資料包被接收的整個程序，Linux內核對網路包的接收程序大致可以分為接收到RingBuffer、硬中斷處理、ksoftirqd軟中斷處理幾個程序，其中在ksoftirqd軟中斷處理中，把資料包從RingBuffer中摘下來，送到協議堆疊的處理，再之后送到用戶行程socket的接收佇列中，

理解了Linux作業原理之后，還有更重要的兩件事情，第一是動手監控，會實際查看網路包接收的整體情況，第二是調優，當你的服務器有問題的時候，你能找到瓶頸所在，并會利用內核開放的引數進行調節，

先說幾個工具

在正式內容開始之前，我們先來了解幾個Linux下監控網卡時可用的工具，

ethtool

首先第一個工具就是我們在上文中提到的ethtool，它用來查看和設定網卡引數，這個工具其實本身只是提供幾個通用介面，真正的實作是都是在網卡驅動中的，正因為該工具是由驅動直接實作的，所以個人覺得它最重要，

該命令比較復雜，我們選幾個今天能用到的說

  • -i 顯示網卡驅動的資訊，如驅動的名稱、版本等
  • -S 查看網卡收發包的統計情況
  • -g/-G 查看或者修改RingBuffer的大小
  • -l/-L 查看或者修改網卡佇列數
  • -c/-C 查看或者修改硬中斷合并策略

實際查看一下網卡驅動：

# ethtool -i eth0
driver: ixgbe
......

這里看到我的機器上網卡驅動程式是ixgbe，有了驅動名稱，就可以在原始碼中找到對應的代碼了，對于ixgbe來說，其驅動的源代碼位于drivers/net/ethernet/intel/ixgbe目錄下，ixgbe_ethtool.c下都是實作的供ethtool使用的相關函式，如果ethtool哪里有搞不明白的，就可以通過這種方式查找到原始碼來讀，另外我們前文《圖解Linux網路包接收程序》里提到的NAPI收包時的poll回呼函式，啟動網卡時的open函式都是在這里實作的，

ifconfig

網路管理工具ifconfig不只是可以為網卡配置ip，啟動或者禁用網卡，也包含了一些網卡的統計資訊，

eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.162.42.51  netmask 255.255.248.0  broadcast 10.162.47.255
        inet6 fe80::6e0b:84ff:fed5:88d1  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 6c:0b:84:d5:88:d1  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 2953454  bytes 414212810 (395.0 MiB)
        RX errors 0  dropped 4636605  overruns 0  frame 0
        TX packets 127887  bytes 82943405 (79.1 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
  • RX packets：接收的總包數
  • RX bytes：接收的位元組數
  • RX errors：表示總的收包的錯誤數量
  • RX dropped：資料包已經進入了 Ring Buffer，但是由于其它原因導致的丟包
  • RX overruns：表示了 fifo 的 overruns，這是由于 Ring Buffer不足導致的丟包

偽檔案系統/proc

Linux 內核提供了 /proc 偽檔案系統，通過/proc可以查看內核內部資料結構、改變內核設定，我們先跑一下題，看一下這個偽檔案系統里都有啥：

  • /proc/sys目錄可以查看或修改內核引數
  • /proc/cpuinfo可以查看CPU資訊
  • /proc/meminfo可以查看記憶體資訊
  • /proc/interrupts統計所有的硬中斷
  • /proc/softirqs統計的所有的軟中斷資訊
  • /proc/slabinfo統計了內核資料結構的slab記憶體使用情況
  • /proc/net/dev可以看到一些網卡統計資料

詳細聊下偽檔案/proc/net/dev，通過它可以看到內核中對網卡的一些相關統計，包含了以下資訊：

  • bytes: 發送或接收的資料的總位元組數
  • packets: 介面發送或接收的資料包總數
  • errs: 由設備驅動程式檢測到的發送或接收錯誤的總數
  • drop: 設備驅動程式丟棄的資料包總數
  • fifo: FIFO緩沖區錯誤的數量
  • frame: The number of packet framing errors.（分組幀錯誤的數量）
  • colls: 介面上檢測到的沖突數

所以，偽檔案/proc/net/dev也可以作為我們查看網卡作業統計資料的工具之一，

偽檔案系統sysfs

sysfs和/proc類似，也是一個偽檔案系統，但是比proc更新，結構更清晰， 其中的/sys/class/net/eth0/statistics/也包含了網卡的統計資訊，

# cd /sys/class/net/eth0/statistics/ 
# grep . * | grep tx
tx_aborted_errors:0
tx_bytes:170699510
tx_carrier_errors:0
tx_compressed:0
tx_dropped:0
tx_errors:0
tx_fifo_errors:0
tx_heartbeat_errors:0
tx_packets:262330
tx_window_errors:0

好了，簡單了解過這幾個工具以后，讓我們正式開始今天的行程，

RingBuffer監控與調優

前面我們看到，當網線中的資料幀到達網卡后，第一站就是RingBuffer（網卡通過DMA機制將資料幀送到RingBuffer中），因此我們第一個要監控和調優的就是網卡的RingBuffer，我們使用ethtool來來查看一下Ringbuffer，

# ethtool -g eth0
Ring parameters for eth0:
Pre-set maximums:
RX:     4096
RX Mini:    0
RX Jumbo:   0
TX:     4096
Current hardware settings:
RX:     512
RX Mini:    0
RX Jumbo:   0
TX:     512

這里看到我手頭的網卡設定RingBuffer最大允許設定到4096，目前的實際設定是512，

這里有一個小細節，ethtool查看到的是實際是Rx bd的大小，Rx bd位于網卡中，相當于一個指標，RingBuffer在記憶體中，Rx bd指向RingBuffer，Rx bd和RingBuffer中的元素是一一對應的關系，在網卡啟動的時候，內核會為網卡的Rx bd在記憶體中分配RingBuffer，并設定好對應關系，

在Linux的整個網路堆疊中，RingBuffer起到一個任務的收發中轉站的角色，對于接收程序來講，網卡負責往RingBuffer中寫入收到的資料幀，ksoftirqd內核執行緒負責從中取走處理，只要ksoftirqd執行緒作業的足夠快，RingBuffer這個中轉站就不會出現問題，但是我們設想一下，假如某一時刻，瞬間來了特別多的包，而ksoftirqd處理不過來了，會發生什么？這時RingBuffer可能瞬間就被填滿了，后面再來的包網卡直接就會丟棄，不做任何處理！

那我們怎么樣能看一下，我們的服務器上是否有因為這個原因導致的丟包呢？ 前面我們介紹的四個工具都可以查看這個丟包統計，拿ethtool來舉例：

# ethtool -S eth0
......
rx_fifo_errors: 0
tx_fifo_errors: 0

rx_fifo_errors如果不為0的話（在 ifconfig 中體現為 overruns 指標增長），就表示有包因為RingBuffer裝不下而被丟棄了，那么怎么解決這個問題呢？很自然首先我們想到的是，加大RingBuffer這個“中轉倉庫”的大小，通過ethtool就可以修改，

# ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096

這樣網卡會被分配更大一點的”中轉站“，可以解決偶發的瞬時的丟包，不過這種方法有個小副作用，那就是排隊的包過多會增加處理網路包的延時，所以另外一種解決思考更好，，那就是讓內核處理網路包的速度更快一些，而不是讓網路包傻傻地在RingBuffer中排隊，怎么加快內核消費RingBuffer中任務的速度呢，別著急，我們繼續往下看...

硬中斷監控與調優

在資料被接收到RingBuffer之后，下一個執行就是就是硬中斷的發起，我們先來查看硬中斷，然后再聊下怎么優化，

監控

硬中斷的情況可以通過內核提供的偽檔案/proc/interrupts來進行查看，

$ cat  /proc/interrupts
           CPU0       CPU1       CPU2       CPU3
  0:         34          0          0          0   IO-APIC-edge      timer
 ......
 27:        351          0          0 1109986815   PCI-MSI-edge      virtio1-input.0
 28:       2571          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio1-output.0
 29:          0          0          0          0   PCI-MSI-edge      virtio2-config
 30:    4233459 1986139461     244872     474097   PCI-MSI-edge      virtio2-input.0
 31:          3          0          2          0   PCI-MSI-edge      virtio2-output.0

上述結果是我手頭的一臺虛機的輸出結果，上面包含了非常豐富的資訊，讓我們一一道來：

  • 網卡的輸入佇列virtio1-input.0的中斷號是27
  • 27號中斷都是由CPU3來處理的
  • 總的中斷次數是1109986815，

這里有兩個細節我們需要關注一下，
1）為什么輸入佇列的中斷都在CPU3上呢？
這是因為內核的一個配置，在偽檔案系統中可以查看到，

#cat /proc/irq/27/smp_affinity
8

smp_affinity里是CPU的親和性的系結，8是二進制的1000,第4位為1，代表的就是第4個CPU核心-CPU3，

2）對于收包來程序來講，硬中斷的總次數表示的是Linux收包總數嗎？
不是，硬體中斷次數不代表總的網路包數，第一網卡可以設定中斷合并，多個網路幀可以只發起一次中斷，第二NAPI 運行的時候會關閉硬中斷，通過poll來收包，

多佇列網卡調優

現在的主流網卡基本上都是支持多佇列的，我們可以通過將不同的佇列分給不同的CPU核心來處理，從而加快Linux內核處理網路包的速度，這是最為有用的一個優化手段，

每一個佇列都有一個中斷號，可以獨立向某個CPU核心發起硬中斷請求，讓CPU來poll包，通過將接收進來的包被放到不同的記憶體佇列里，多個CPU就可以同時分別向不同的佇列發起消費了，這個特性叫做RSS（Receive Side Scaling，接收端擴展），通過ethtool工具可以查看網卡的佇列情況，

# ethtool -l eth0
Channel parameters for eth0:
Pre-set maximums:
RX:		0
TX:		0
Other:		1
Combined:	63
Current hardware settings:
RX:		0
TX:		0
Other:		1
Combined:	8

上述結果表示當前網卡支持的最大佇列數是63，當前開啟的佇列數是8，對于這個配置來講，最多同時可以有8個核心來參與網路收包，如果你想提高內核收包的能力，直接簡單加大佇列數就可以了，這比加大RingBuffer更為有用，因為加大RingBuffer只是給個更大的空間讓網路幀能繼續排隊，而加大佇列數則能讓包更早地被內核處理，ethtool修改佇列數量方法如下：

#ethtool -L eth0 combined 32

我們前文說過，硬中斷發生在哪一個核上，它發出的軟中斷就由哪個核來處理，所有通過加大網卡佇列數，這樣硬中斷作業、軟中斷作業都會有更多的核心參與進來，

每一個佇列都有一個中斷號，每一個中斷號都是系結在一個特定的CPU上的，如果你不滿意某一個中斷的CPU系結，可以通過修改/proc/irq/{中斷號}/smp_affinity來實作，

一般處理到這里，網路包的接收就沒有大問題了，但如果你有更高的追求，或者是說你并沒有更多的CPU核心可以參與進來了，那怎么辦？放心，我們也還有方法提高單核的處理網路包的接收速度，

硬中斷合并

先來講一個實際中的例子，假如你是一位開發同學，和你對口的產品經理一天有10個小需求需要讓你幫忙來處理，她對你有兩種中斷方式：

  • 第一種：產品經理想到一個需求，就過來找你，和你描述需求細節，然后讓你幫你來改
  • 第二種：產品經理想到需求后，不來打擾你，等攢夠5個來找你一次，你集中處理

我們現在不考慮及時性，只考慮你的作業整體效率，你覺得那種方案下你的作業效率會高呢？或者換句話說，你更喜歡哪一種作業狀態呢？很明顯，只要你是一個正常的開發，都會覺得第二種方案更好，對人腦來講，頻繁的中斷會打亂你的計劃，你腦子里剛才剛想到一半技術方案可能也就廢了，當產品經理走了以后，你再想撿起來剛被中斷之的作業的時候，很可能得花點時間回憶一會兒才能繼續作業，

對于CPU來講也是一樣，CPU要做一件新的事情之前，要加載該行程的地址空間，load行程代碼，讀取行程資料，各級別cache要慢慢熱身，因此如果能適當降低中斷的頻率，多攢幾個包一起發出中斷，對提升CPU的作業效率是有幫助的，所以，網卡允許我們對硬中斷進行合并，

現在我們來看一下網卡的硬中斷合并配置，

# ethtool -c eth0
Coalesce parameters for eth0:
Adaptive RX: off  TX: off
......

rx-usecs: 1
rx-frames: 0
rx-usecs-irq: 0
rx-frames-irq: 0
......

我們來說一下上述結果的大致含義

  • Adaptive RX: 自適應中斷合并，網卡驅動自己判斷啥時候該合并啥時候不合并
  • rx-usecs： 當過這么長時間過后，一個RX interrupt就會被產生
  • rx-frames：當累計接收到這么多個幀后，一個RX interrupt就會被產生

如果你想好了修改其中的某一個引數了的話，直接使用ethtool -C就可以，例如：

ethtool -C eth0 adaptive-rx on

不過需要注意的是，減少中斷數量雖然能使得Linux整體吞吐更高，不過一些包的延遲也會增大，所以用的時候得適當注意，

軟中斷監控與調優

在硬中斷之后，再接下來的處理程序就是ksoftirqd內核執行緒中處理的軟中斷了，之前我們說過，軟中斷和它對應的硬中斷是在同一個核心上處理的， 因此，前面硬中斷分散到多核上處理的時候，軟中斷的優化其實也就跟著做了，也會被多核處理，不過軟中斷也還有自己的可優化選項，

監控

軟中斷的資訊可以從 /proc/softirqs 讀取：

$ cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1       CPU2       CPU3
          HI:          0          2          2          0
       TIMER:  704301348 1013086839  831487473 2202821058
      NET_TX:      33628      31329      32891     105243
      NET_RX:  418082154 2418421545  429443219 1504510793
       BLOCK:         37          0          0   25728280
BLOCK_IOPOLL:          0          0          0          0
     TASKLET:     271783     273780     276790     341003
       SCHED: 1544746947 1374552718 1287098690 2221303707
     HRTIMER:          0          0          0          0
         RCU: 3200539884 3336543147 3228730912 3584743459

軟中斷budget調整

不知道你有沒有聽說過番茄作業法，它的大致意思就是你要有一整段的不被打擾的時間，集中精力處理某一項作業，這一整段時間時長被建議是25分鐘，
對于我們的Linux的處理軟中斷的ksoftirqd來說，它也和番茄作業法思路類似，一旦它被硬中斷觸發開始了作業，它會集中精力處理一波兒網路包（絕不只是1個），然后再去做別的事情，

我們說的處理一波兒是多少呢，策略略復雜，我們只說其中一個比較容易理解的，那就是net.core.netdev_budget內核引數，

#sysctl -a | grep 
net.core.netdev_budget = 300

這個的意思說的是，ksoftirqd一次最多處理300個包，處理夠了就會把CPU主動讓出來，以便Linux上其它的任務可以得到處理， 那么假如說，我們現在就是想提高內核處理網路包的效率，那就可以讓ksoftirqd行程多干一會兒網路包的接收，再讓出CPU，至于怎么提高，直接修改不這個引數的值就好了，

#sysctl -w net.core.netdev_budget=600

如果要保證重啟仍然生效，需要將這個配置寫到/etc/sysctl.conf

軟中斷GRO合并

GRO和硬中斷合并的思想很類似，不過階段不同，硬中斷合并是在中斷發起之前，而GRO已經到了軟中斷背景關系中了，

如果應用中是大檔案的傳輸，大部分包都是一段資料，不用GRO的話，會每次都將一個小包傳送到協議堆疊（IP接收函式、TCP接收）函式中進行處理，開啟GRO的話，Linux就會智能進行包的合并，之后將一個大包傳給協議處理函式，這樣CPU的效率也是就提高了，

ethtool -k eth0 | grep generic-receive-offload
generic-receive-offload: on

如果你的網卡驅動沒有打開GRO的話，可以通過如下方式打開，

# ethtool -K eth0 gro on

GRO說的僅僅只是包的接收階段的優化方式，對于發送來說是GSO，

總結

在網路技術這一領域里，有太多的知識內容都停留在理論階段了，你可能覺得你的網路學的滾瓜爛熟了，可是當你的線上服務出現問題的時候，你還是不知道該怎么排查，怎么優化，這就是因為只懂了理論，而不清楚Linux是通過哪些內核機制將網路技術落地的，各個內核組件之間怎么配合，每個組件有哪些引數可以做調整，我們用兩篇文章詳細討論了Linux網路包的接收程序，以及這個程序中的一些統計資料如何查看，如何調優，相信消化完這兩篇文章之后，你的網路的理解直接能提升1個Level，你對線上服務的把控能力也會更加如魚得水，

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    uj5u.com 2023-04-20 07:23:58 more
  • 理解函式指標和回呼函式

    理解 函式指標 指向函式的指標。比如： 理解函式指標的偽代碼 void (*p)(int type, char *data); // 定義一個函式指標p void func(int type, char *data); // 宣告一個函式func p = func; // 將指標p指向函式func ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:52 more
  • Django筆記二十五之資料庫函式之日期函式

    本文首發于公眾號：Hunter后端 原文鏈接：Django筆記二十五之資料庫函式之日期函式 日期函式主要介紹兩個大類，Extract() 和 Trunc() Extract() 函式作用是提取日期，比如我們可以提取一個日期欄位的年份，月份，日等資料 Trunc() 的作用則是截取，比如 2022-0 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:45 more
  • 一天吃透JVM面試八股文

    什么是JVM？ JVM，全稱Java Virtual Machine（Java虛擬機），是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實作的。由一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個堆疊、一個垃圾回收堆和一個存盤方法域等組成。JVM屏蔽了與作業系統平臺相關的資訊，使得Java程式只需要生成在Java虛擬機 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:31 more
  • 使用Java接入小程式訂閱訊息！

    更新完微信服務號的模板訊息之后，我又趕緊把微信小程式的訂閱訊息給實作了！之前我一直以為微信小程式也是要企業才能申請，沒想到小程式個人就能申請。 訊息推送平臺🔥推送下發【郵件】【短信】【微信服務號】【微信小程式】【企業微信】【釘釘】等訊息型別。 https://gitee.com/zhongfuch ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:59 more
  • java -- 緩沖流、轉換流、序列化流

    緩沖流 緩沖流, 也叫高效流, 按照資料型別分類： 位元組緩沖流：BufferedInputStream，BufferedOutputStream 字符緩沖流：BufferedReader，BufferedWriter 緩沖流的基本原理，是在創建流物件時，會創建一個內置的默認大小的緩沖區陣列，通過緩沖 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:49 more
  • Java-SpringBoot-Range請求頭設定實作視頻分段傳輸

    老實說，人太懶了，現在基本都不喜歡寫筆記了，但是網上有關Range請求頭的文章都太水了 下面是抄的一段StackOverflow的代碼...自己大修改過的，寫的注釋挺全的，應該直接看得懂，就不解釋了 寫的不好...只是希望能給視頻網站開發的新手一點點幫助吧. 業務場景：視頻分段傳輸、視頻多段傳輸（理 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:42 more
  • Windows 10開發教程_編程入門自學教程_菜鳥教程-免費教程分享

    教程簡介 Windows 10開發入門教程 - 從簡單的步驟了解Windows 10開發，從基本到高級概念，包括簡介，UWP，第一個應用程式，商店，XAML控制元件，資料系結，XAML性能，自適應設計，自適應UI，自適應代碼，檔案管理，SQLite資料庫，應用程式到應用程式通信，應用程式本地化，應用程式 ......

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