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。
