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Linux 网络包接收过程的监控与调优

Linux内核对网络包的接收过程大致可以分为接收到RingBuffer、硬中断处理、ksoftirqd软中断处理几个过程。其中在ksoftirqd软中断处理中,把数据包从RingBuffer中摘下来,送到协议栈的处理,再之后送到用户进程socket的接收队列中。
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理解了Linux工作原理之后,还有更重要的两件事情。第一是动手监控,会实际查看网络包接收的整体情况。第二是调优,当你的服务器有问题的时候,你能找到瓶颈所在,并会利用内核开放的参数进行调节。

先说几个工具

在正式内容开始之前,我们先来了解几个Linux下监控网卡时可用的工具。

1)ethtool

首先第一个工具就是我们在上文中提到的ethtool,它用来查看和设置网卡参数。这个工具其实本身只是提供几个通用接口,真正的实现是都是在网卡驱动中的。正因为该工具是由驱动直接实现的,所以个人觉得它最重要。

该命令比较复杂,我们选几个今天能用到的说

  • -i 显示网卡驱动的信息,如驱动的名称、版本等
  • -S 查看网卡收发包的统计情况
  • -g/-G 查看或者修改RingBuffer的大小
  • -l/-L 查看或者修改网卡队列数
  • -c/-C 查看或者修改硬中断合并策略

实际查看一下网卡驱动:

# ethtool -i eth0driver: ixgbe......

这里看到我的机器上网卡驱动程序是ixgbe。有了驱动名称,就可以在源码中找到对应的代码了。对于ixgbe来说,其驱动的源代码位于drivers/net/ethernet/intel/ixgbe目录下。ixgbe_ethtool.c`下都是实现的供ethtool使用的相关函数,如果ethtool哪里有搞不明白的,就可以通过这种方式查找到源码来读。另外我们前文《图解Linux网络包接收过程》里提到的NAPI收包时的poll回调函数,启动网卡时的open函数都是在这里实现的。

2)ifconfig

网络管理工具ifconfig不只是可以为网卡配置ip,启动或者禁用网卡,也包含了一些网卡的统计信息。

eth0: flags=4163  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        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:接收的总包数
  • RX bytes:接收的字节数
  • RX errors:表示总的收包的错误数量
  • RX dropped:数据包已经进入了 Ring Buffer,但是由于其它原因导致的丢包
  • RX overruns:表示了 fifo 的 overruns,这是由于 Ring Buffer不足导致的丢包

3)伪文件系统/proc

Linux 内核提供了 /proc 伪文件系统,通过/proc可以查看内核内部数据结构、改变内核设置。我们先跑一下题,看一下这个伪文件系统里都有啥:

  • /proc/sys目录可以查看或修改内核参数
  • /proc/cpuinfo可以查看CPU信息
  • /proc/meminfo可以查看内存信息
  • /proc/interrupts统计所有的硬中断
  • /proc/softirqs统计的所有的软中断信息
  • /proc/slabinfo统计了内核数据结构的slab内存使用情况
  • /proc/net/dev可以看到一些网卡统计数据

详细聊下伪文件/proc/net/dev,通过它可以看到内核中对网卡的一些相关统计。包含了以下信息:

  • bytes: 发送或接收的数据的总字节数
  • packets: 接口发送或接收的数据包总数
  • errs: 由设备驱动程序检测到的发送或接收错误的总数
  • drop: 设备驱动程序丢弃的数据包总数
  • fifo: FIFO缓冲区错误的数量
  • frame: The number of packet framing errors.(分组帧错误的数量)
  • colls: 接口上检测到的冲突数

所以,伪文件/proc/net/dev也可以作为我们查看网卡工作统计数据的工具之一。

4)伪文件系统sysfs

sysfs和/proc类似,也是一个伪文件系统,但是比proc更新,结构更清晰。其中的/sys/class/net/eth0/statistics/也包含了网卡的统计信息。

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

好了,简单了解过这几个工具以后,让我们正式开始今天的行程。

RingBuffer监控与调优

前面我们看到,当网线中的数据帧到达网卡后,第一站就是RingBuffer(网卡通过DMA机制将数据帧送到RingBuffer中)。因此我们第一个要监控和调优的就是网卡的RingBuffer,我们使用ethtool来查看一下:

# ethtool -g eth0Ring parameters for eth0:Pre-set maximums:RX:     4096RX Mini:    0RX Jumbo:   0TX:     4096Current hardware settings:RX:     512RX Mini:    0RX Jumbo:   0TX:     512

这里看到我手头的网卡设置RingBuffer最大允许设置到4096,目前的实际设置是512。

这里有一个小细节,ethtool查看到的是实际是Rx bd的大小。Rx bd位于网卡中,相当于一个指针。RingBuffer在内存中,Rx bd指向RingBuffer。Rx bd和RingBuffer中的元素是一一对应的关系。在网卡启动的时候,内核会为网卡的Rx bd在内存中分配RingBuffer,并设置好对应关系。

在Linux的整个网络栈中,RingBuffer起到一个任务的收发中转站的角色。对于接收过程来讲,网卡负责往RingBuffer中写入收到的数据帧,ksoftirqd内核线程负责从中取走处理。只要ksoftirqd线程工作的足够快,RingBuffer这个中转站就不会出现问题。但是我们设想一下,假如某一时刻,瞬间来了特别多的包,而ksoftirqd处理不过来了,会发生什么?这时RingBuffer可能瞬间就被填满了,后面再来的包网卡直接就会丢弃,不做任何处理!

那我们怎么样能看一下,我们的服务器上是否有因为这个原因导致的丢包呢?前面我们介绍的四个工具都可以查看这个丢包统计,拿ethtool来举例:

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

rx_fifo_errors如果不为0的话(在 ifconfig 中体现为 overruns 指标增长),就表示有包因为RingBuffer装不下而被丢弃了。那么怎么解决这个问题呢?很自然首先我们想到的是,加大RingBuffer这个“中转仓库”的大小。通过ethtool就可以修改。

# ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096

这样网卡会被分配更大一点的”中转站“,可以解决偶发的瞬时的丢包。不过这种方法有个小副作用,那就是排队的包过多会增加处理网络包的延时。所以另外一种解决思路更好,那就是让内核处理网络包的速度更快一些,而不是让网络包傻傻地在RingBuffer中排队。怎么加快内核消费RingBuffer中任务的速度呢,别着急,我们继续往下看…

硬中断监控与调优

在数据被接收到RingBuffer之后,下一个执行就是就是硬中断的发起。我们先来查看硬中断,然后再聊下怎么优化。

1)监控

硬中断的情况可以通过内核提供的伪文件/proc/interrupts来进行查看。

$ 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

上述结果是我手头的一台虚机的输出结果。上面包含了非常丰富的信息,让我们一一道来:

  • 网卡的输入队列virtio1-input.0的中断号是27
  • 27号中断都是由CPU3来处理的
  • 总的中断次数是1109986815。

这里有两个细节我们需要关注一下。

(1)为什么输入队列的中断都在CPU3上呢?

这是因为内核的一个配置,在伪文件系统中可以查看到。

#cat /proc/irq/27/smp_affinity8

smp_affinity里是CPU的亲和性的绑定,8是二进制的1000,第4位为1,代表的就是第4个CPU核心-CPU3.

(2)对于收包来过程来讲,硬中断的总次数表示的是Linux收包总数吗?
不是,硬件中断次数不代表总的网络包数。第一网卡可以设置中断合并,多个网络帧可以只发起一次中断。第二NAPI 运行的时候会关闭硬中断,通过poll来收包。

2)多队列网卡调优

现在的主流网卡基本上都是支持多队列的,我们可以通过将不同的队列分给不同的CPU核心来处理,从而加快Linux内核处理网络包的速度。这是最为有用的一个优化手段。

每一个队列都有一个中断号,可以独立向某个CPU核心发起硬中断请求,让CPU来poll包。通过将接收进来的包被放到不同的内存队列里,多个CPU就可以同时分别向不同的队列发起消费了。这个特性叫做RSS(Receive Side Scaling,接收端扩展)。通过ethtool工具可以查看网卡的队列情况。

# ethtool -l eth0Channel parameters for eth0:Pre-set maximums:RX:     0TX:     0Other:      1Combined:   63Current hardware settings:RX:     0TX:     0Other:      1Combined:   8

上述结果表示当前网卡支持的最大队列数是63,当前开启的队列数是8。对于这个配置来讲,最多同时可以有8个核心来参与网络收包。如果你想提高内核收包的能力,直接简单加大队列数就可以了,这比加大RingBuffer更为有用。因为加大RingBuffer只是给个更大的空间让网络帧能继续排队,而加大队列数则能让包更早地被内核处理。ethtool修改队列数量方法如下:

#ethtool -L eth0 combined 32

我们前文说过,硬中断发生在哪一个核上,它发出的软中断就由哪个核来处理。所有通过加大网卡队列数,这样硬中断工作、软中断工作都会有更多的核心参与进来。

每一个队列都有一个中断号,每一个中断号都是绑定在一个特定的CPU上的。如果你不满意某一个中断的CPU绑定,可以通过修改/proc/irq/{中断号}/smp_affinity来实现。

一般处理到这里,网络包的接收就没有大问题了。但如果你有更高的追求,或者是说你并没有更多的CPU核心可以参与进来了,那怎么办?放心,我们也还有方法提高单核的处理网络包的接收速度。

3)硬中断合并

先来讲一个实际中的例子,假如你是一位开发同学,和你对口的产品经理一天有10个小需求需要让你帮忙来处理。她对你有两种中断方式:

  • 第一种:产品经理想到一个需求,就过来找你,和你描述需求细节,然后让你帮你来改
  • 第二种:产品经理想到需求后,不来打扰你,等攒够5个来找你一次,你集中处理

我们现在不考虑及时性,只考虑你的工作整体效率,你觉得那种方案下你的工作效率会高呢?或者换句话说,你更喜欢哪一种工作状态呢?很明显,只要你是一个正常的开发,都会觉得第二种方案更好。对人脑来讲,频繁的中断会打乱你的计划,你脑子里刚才刚想到一半技术方案可能也就废了。当产品经理走了以后,你再想捡起来刚被中断之的工作的时候,很可能得花点时间回忆一会儿才能继续工作。

对于CPU来讲也是一样,CPU要做一件新的事情之前,要加载该进程的地址空间,load进程代码,读取进程数据,各级别cache要慢慢热身。因此如果能适当降低中断的频率,多攒几个包一起发出中断,对提升CPU的工作效率是有帮助的。所以,网卡允许我们对硬中断进行合并。

现在我们来看一下网卡的硬中断合并配置。

# ethtool -c eth0Coalesce parameters for eth0:Adaptive RX: off  TX: off......rx-usecs: 1rx-frames: 0rx-usecs-irq: 0rx-frames-irq: 0......

我们来说一下上述结果的大致含义

  • Adaptive RX: 自适应中断合并,网卡驱动自己判断啥时候该合并啥时候不合并
  • rx-usecs:当过这么长时间过后,一个RX interrupt就会被产生
  • rx-frames:当累计接收到这么多个帧后,一个RX interrupt就会被产生

如果你想好了修改其中的某一个参数了的话,直接使用ethtool -C就可以,例如:

ethtool -C eth0 adaptive-rx on

不过需要注意的是,减少中断数量虽然能使得Linux整体吞吐更高,不过一些包的延迟也会增大,所以用的时候得适当注意。

软中断监控与调优

在硬中断之后,再接下来的处理过程就是ksoftirqd内核线程中处理的软中断了。之前我们说过,软中断和它对应的硬中断是在同一个核心上处理的。因此,前面硬中断分散到多核上处理的时候,软中断的优化其实也就跟着做了,也会被多核处理。不过软中断也还有自己的可优化选项。

1)监控

软中断的信息可以从 /proc/softirqs 读取:

$ 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   25728280BLOCK_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

2)软中断budget调整

不知道你有没有听说过番茄工作法,它的大致意思就是你要有一整段的不被打扰的时间,集中精力处理某一项作业。这一整段时间时长被建议是25分钟。对于我们的Linux的处理软中断的ksoftirqd来说,它也和番茄工作法思路类似。一旦它被硬中断触发开始了工作,它会集中精力处理一波儿网络包(绝不只是1个),然后再去做别的事情。

我们说的处理一波儿是多少呢,策略略复杂。我们只说其中一个比较容易理解的,那就是net.core.netdev_budget内核参数。

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

这个的意思说的是,ksoftirqd一次最多处理300个包,处理够了就会把CPU主动让出来,以便Linux上其它的任务可以得到处理。那么假如说,我们现在就是想提高内核处理网络包的效率。那就可以让ksoftirqd进程多干一会儿网络包的接收,再让出CPU。至于怎么提高,直接修改不这个参数的值就好了。

# sysctl -w net.core.netdev_budget=600

如果要保证重启仍然生效,需要将这个配置写到/etc/sysctl.conf

3)软中断GRO合并

GRO和硬中断合并的思想很类似,不过阶段不同。硬中断合并是在中断发起之前,而GRO已经到了软中断上下文中了。

如果应用中是大文件的传输,大部分包都是一段数据,不用GRO的话,会每次都将一个小包传送到协议栈(IP接收函数、TCP接收)函数中进行处理。开启GRO的话,Linux就会智能进行包的合并,之后将一个大包传给协议处理函数。这样CPU的效率也是就提高了。

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

如果你的网卡驱动没有打开GRO的话,可以通过如下方式打开。

# ethtool -K eth0 gro on

GRO说的仅仅只是包的接收阶段的优化方式,对于发送来说是GSO。

总结

在网络技术这一领域里,有太多的知识内容都停留在理论阶段了。你可能觉得你的网络学的滚瓜烂熟了,可是当你的线上服务出现问题的时候,你还是不知道该怎么排查,怎么优化。这就是因为只懂了理论,而不清楚Linux是通过哪些内核机制将网络技术落地的,各个内核组件之间怎么配合,每个组件有哪些参数可以做调整。我们用两篇文章详细讨论了Linux网络包的接收过程,以及这个过程中的一些统计数据如何查看,如何调优。相信消化完这两篇文章之后,你的网络的理解直接能提升1个Level,你对线上服务的把控能力也会更加如鱼得水。

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作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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