Linux性能优化实战学习笔记：第四十七讲
一、上节回顾
上一节，我们梳理了，应用程序容器化后性能下降的分析方法。一起先简单回顾下。
容器利用 Linux 内核提供的命名空间技术，将不同应用程序的运行隔离起来，并用统一的镜像，来管理应用程序的依赖环境。这为应用程序的管理和维护，带来了极大的便捷性，并进一步催生
了微服务、云原生等新一代技术架构。
不过，虽说有很多优势，但容器化也会对应用程序的性能带来一定影响。比如，上一节我们一起分析的 Java 应用，就容易发生启动过慢、运行一段时间后 OOM 退出等问题。当你碰到这种问
题时，不要慌，我们前面四大基础模块中的各种思路，都依然适用。
实际上，我们专栏中的很多案例都在容器中运行。容器化后，应用程序会通过命名空间进行隔离。所以，你在分析时，不要忘了结合命名空间、cgroups、iptables 等来综合分析。比如：
- cgroups 会影响容器应用的运行；
- iptables 中的 NAT，会影响容器的网络性能；
- 叠加文件系统，会影响应用的 I/O 性能等。
关于 NAT 的影响，我在网络模块的 如何优化 NAT 性能 文章中，已经为你介绍了很多优化思路。今天，我们一起来看另一种情况，也就是丢包的分析方法。
所谓丢包，是指在网络数据的收发过程中，由于种种原因，数据包还没传输到应用程序中，就被丢弃了。这些被丢弃包的数量，除以总的传输包数，也就是我们常说的丢包率。丢包率是网络性
能中最核心的指标之一。
丢包通常会带来严重的性能下降，特别是对 TCP 来说，丢包通常意味着网络拥塞和重传，进而还会导致网络延迟增大、吞吐降低。
接下来，我就以最常用的反向代理服务器 Nginx 为例，带你一起看看，如何分析网络丢包的问题。由于内容比较多，这个案例将分为上下两篇来讲解，今天我们先看第一部分内容。
二、案例准备
今天的案例需要用到两台虚拟机，还是基于 Ubuntu 18.04，同样适用于其他的 Linux 系统。我使用的案例环境如下所示：
- 机器配置：2 CPU，8GB 内存。
- 预先安装 docker、curl、hping3 等工具，如 apt install docker.io curl hping3。
这些工具，我们在前面的案例中已经多次使用，这里就不再重复介绍。
现在，打开两个终端，分别登录到这两台虚拟机中，并安装上述工具。
注意，以下所有命令都默认以 root 用户运行，如果你用普通用户身份登陆系统，请运行 sudosu root 命令，切换到 root 用户。
如果安装过程有问题，你可以先上网搜索解决，实在解决不了的，记得在留言区向我提问。
到这里，准备工作就完成了。接下来，我们正式进入操作环节。
三、案例分析
我们今天要分析的案例是一个 Nginx 应用，如下图所示，hping3 和 curl 是 Nginx 的客户端。
为了方便你运行，我已经把它打包成了一个 Docker 镜像，并推送到 Docker Hub 中。你可以直接按照下面的步骤来运行它。
在终端一中执行下面的命令，启动 Nginx 应用，并在 80 端口监听。如果一切正常，你应该可以看到如下的输出：
docker run --name nginx --hostname nginx --privileged -p 80:80 -itd feisky/nginx:drop dae0202cc27e5082b282a6aeeb1398fcec423c642e63322da2a97b9ebd7538e
然后，执行 docker ps 命令，查询容器的状态，你会发现容器已经处于运行状态（Up）了：
docker ps CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES dae0202cc27e feisky/nginx:drop "/start.sh" 4 minutes ago Up 4 minutes 0.0.0.0:80->80/tcp nginx
不过，从 docker ps 的输出，我们只能知道容器处于运行状态，至于 Nginx 是否可以正常处理外部请求，还需要进一步的确认。
接着，我们切换到终端二中，执行下面的 hping3 命令，进一步验证 Nginx 是不是真的可以正常访问了。注意，这里我没有使用 ping，是因为 ping 基于 ICMP 协议，而 Nginx 使用的是 TCP协议。
# -c 表示发送 10 个请求，-S 表示使用 TCP SYN，-p 指定端口为 80 $ hping3 -c 10 -S -p 80 192.168.0.30 HPING 192.168.0.30 (eth0 192.168.0.30): S set, 40 headers + 0 data bytes len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=3 win=5120 rtt=7.5 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=4 win=5120 rtt=7.4 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=5 win=5120 rtt=3.3 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=7 win=5120 rtt=3.0 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=6 win=5120 rtt=3027.2 ms --- 192.168.0.30 hping statistic --- 10 packets transmitted, 5 packets received, 50% packet loss round-trip min/avg/max = 3.0/609.7/3027.2 ms
实际测试代码如下：
root@luoahong:~# hping3 -c 10 -S -p 80 192.168.118.85 HPING 192.168.118.85 (ens33 192.168.118.85): S set, 40 headers + 0 data bytes len=46 ip=192.168.118.85 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=4 win=65535 rtt=6.7 ms len=46 ip=192.168.118.85 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=2 win=65535 rtt=3095.3 ms len=46 ip=192.168.118.85 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=6 win=65535 rtt=2.9 ms len=46 ip=192.168.118.85 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=9 win=65535 rtt=6.8 ms --- 192.168.118.85 hping statistic --- 10 packets transmitted, 4 packets received, 60% packet loss round-trip min/avg/max = 2.9/777.9/3095.3 m
从 hping3 的输出中，我们可以发现，发送了 10 个请求包，却只收到了 5 个回复，50% 的包都丢了。再观察每个请求的 RTT 可以发现，RTT 也有非常大的波动变化，小的时候只有 3ms，而
大的时候则有 3s。
根据这些输出，我们基本能判断，已经发生了丢包现象。可以猜测，3s 的 RTT ，很可能是因为丢包后重传导致的。那到底是哪里发生了丢包呢？
排查之前，我们可以回忆一下 Linux 的网络收发流程，先从理论上分析，哪里有可能会发生丢包。你不妨拿出手边的笔和纸，边回忆边在纸上梳理，思考清楚再继续下面的内容。
在这里，为了帮你理解网络丢包的原理，我画了一张图，你可以保存并打印出来使用：
从图中你可以看出，可能发生丢包的位置，实际上贯穿了整个网络协议栈。换句话说，全程都有丢包的可能。比如我们从下往上看：
- 在两台 VM 连接之间，可能会发生传输失败的错误，比如网络拥塞、线路错误等；
- 在网卡收包后，环形缓冲区可能会因为溢出而丢包；
- 在链路层，可能会因为网络帧校验失败、QoS 等而丢包；
- 在 IP 层，可能会因为路由失败、组包大小超过 MTU 等而丢包；
- 在传输层，可能会因为端口未监听、资源占用超过内核限制等而丢包；
- 在套接字层，可能会因为套接字缓冲区溢出而丢包；
- 在应用层，可能会因为应用程序异常而丢包；
此外，如果配置了 iptables 规则，这些网络包也可能因为 iptables 过滤规则而丢包。
当然，上面这些问题，还有可能同时发生在通信的两台机器中。不过，由于我们没对 VM2 做任何修改，并且 VM2 也只运行了一个最简单的 hping3 命令，这儿不妨假设它是没有问题的。
为了简化整个排查过程，我们还可以进一步假设， VM1 的网络和内核配置也没问题。这样一来，有可能发生问题的位置，就都在容器内部了。
现在我们切换回终端一，执行下面的命令，进入容器的终端中：
docker exec -it nginx bash root@nginx:/#
在这里简单说明一下，接下来的所有分析，前面带有 root@nginx:/# 的操作，都表示在容器中进行。
那么， 接下来，我们就可以从协议栈中，逐层排查丢包问题。
四、链路层
首先，来看最底下的链路层。当缓冲区溢出等原因导致网卡丢包时，Linux 会在网卡收发数据的统计信息中，记录下收发错误的次数。
你可以通过 ethtool 或者 netstat ，来查看网卡的丢包记录。比如，可以在容器中执行下面的命令，查看丢包情况：
root@nginx:/# netstat -i Kernel Interface table Iface MTU RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg eth0 100 31 0 0 0 8 0 0 0 BMRU lo 65536 0 0 0 0 0 0 0 0 LRU
实际测试代码如下：
[root@luoahong ~]# netstat -i Kernel Interface table Iface MTU RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg br-ad2616372f01 1500 6 0 0 0 27 0 0 0 BMU docker0 1500 6 0 0 0 27 0 0 0 BMRU eth0 1500 532 0 0 0 292 0 0 0 BMRU lo 65536 0 0 0 0 0 0 0 0 LRU veth5a876cb 1500 6 0 0 0 38 0 0 0 BM
输出中的 RX-OK、RX-ERR、RX-DRP、RX-OVR ，分别表示接收时的总包数、总错误数、进入Ring Buffer 后因其他原因（如内存不足）导致的丢包数以及 Ring Buffer 溢出导致的丢包数。
TX-OK、TX-ERR、TX-DRP、TX-OVR 也代表类似的含义，只不过是指发送时对应的各个指标。
注意，由于 Docker 容器的虚拟网卡，实际上是一对 veth pair，一端接入容器中用作 eth0，另一端在主机中接入 docker0 网桥中。veth 驱动并没有实现网络统
计的功能，所以使用 ethtool -S 命令，无法得到网卡收发数据的汇总信息。
从这个输出中，我们没有发现任何错误，说明容器的虚拟网卡没有丢包。不过要注意，如果用 tc
等工具配置了 QoS，那么 tc 规则导致的丢包，就不会包含在网卡的统计信息中。
所以接下来，我们还要检查一下 eth0 上是否配置了 tc 规则，并查看有没有丢包。我们继续容器终端中，执行下面的 tc 命令，不过这次注意添加 -s 选项，以输出统计信息：
root@nginx:/# tc -s qdisc show dev eth0 qdisc netem 800d: root refcnt 2 limit 1000 loss 30% Sent 432 bytes 8 pkt (dropped 4, overlimits 0 requeues 0) backlog 0b 0p requeues 0
实际测试代码：
[root@luoahong ~]# tc -s qdisc show dev eth0 qdisc pfifo_fast 0: root refcnt 2 bands 3 priomap 1 2 2 2 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Sent 35109 bytes 304 pkt (dropped 0, overlimits 0 requeues 0) backlog 0b 0p requeues 0
从 tc 的输出中可以看到， eth0 上面配置了一个网络模拟排队规则（qdisc netem），并且配置了丢包率为 30%（loss 30%）。再看后面的统计信息，发送了 8 个包，但是丢了 4 个。
看来，应该就是这里，导致 Nginx 回复的响应包，被 netem 模块给丢了。
既然发现了问题，解决方法也就很简单了，直接删掉 netem 模块就可以了。我们可以继续在容
器终端中，执行下面的命令，删除 tc 中的 netem 模块：
root@nginx:/# tc qdisc del dev eth0 root netem loss 30%
删除后，问题到底解决了没？我们切换到终端二中，重新执行刚才的 hping3 命令，看看现在还有没有问题：
hping3 -c 10 -S -p 80 192.168.0.30 HPING 192.168.0.30 (eth0 192.168.0.30): S set, 40 headers + 0 data bytes len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=0 win=5120 rtt=7.9 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=2 win=5120 rtt=1003.8 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=5 win=5120 rtt=7.6 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=6 win=5120 rtt=7.4 ms len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=9 win=5120 rtt=3.0 ms --- 192.168.0.30 hping statistic --- 10 packets transmitted, 5 packets received, 50% packet loss round-trip min/avg/max = 3.0/205.9/1003.8 ms
不幸的是，从 hping3 的输出中，我们可以看到，跟前面现象一样，还是 50% 的丢包；RTT 的波动也仍旧很大，从 3ms 到 1s。
显然，问题还是没解决，丢包还在继续发生。不过，既然链路层已经排查完了，我们就继续向上层分析，看看网络层和传输层有没有问题。
五、网络层和传输层
我们知道，在网络层和传输层中，引发丢包的因素非常多。不过，其实想确认是否丢包，是非常简单的事，因为 Linux 已经为我们提供了各个协议的收发汇总情况。
我们继续在容器终端中，执行下面的 netstat -s 命令，就可以看到协议的收发汇总，以及错误信息了：
root@nginx:/# netstat -s
Ip:
Forwarding: 1 // 开启转发
31 total packets received // 总收包数
0 forwarded // 转发包数
0 incoming packets discarded // 接收丢包数
25 incoming packets delivered // 接收的数据包数
15 requests sent out // 发出的数据包数
Icmp:
0 ICMP messages received // 收到的 ICMP 包数
0 input ICMP message failed // 收到 ICMP 失败数
ICMP input histogram:
0 ICMP messages sent //ICMP 发送数
0 ICMP messages failed //ICMP 失败数
ICMP output histogram:
Tcp:
0 active connection openings // 主动连接数
0 passive connection openings // 被动连接数
11 failed connection attempts // 失败连接尝试数
0 connection resets received // 接收的连接重置数
0 connections established // 建立连接数
25 segments received // 已接收报文数
21 segments sent out // 已发送报文数
4 segments retransmitted // 重传报文数
0 bad segments received // 错误报文数
0 resets sent // 发出的连接重置数
Udp:
0 packets received
...
TcpExt:
11 resets received for embryonic SYN_RECV sockets // 半连接重置数
0 packet headers predicted
TCPTimeouts: 7 // 超时数
TCPSynRetrans: 4 //SYN 重传数
...
实际测试代码：
root@luoahong:~# netstat -s
Ip:
Forwarding: 2
478 total packets received
4 with invalid addresses
0 forwarded
0 incoming packets discarded
474 incoming packets delivered
329 requests sent out
20 outgoing packets dropped
Icmp:
40 ICMP messages received
0 input ICMP message failed
ICMP input histogram:
destination unreachable: 40
42 ICMP messages sent
0 ICMP messages failed
ICMP output histogram:
destination unreachable: 42
IcmpMsg:
InType3: 40
OutType3: 42
Tcp:
2 active connection openings
1 passive connection openings
0 failed connection attempts
0 connection resets received
1 connections established
266 segments received
172 segments sent out
2 segments retransmitted
0 bad segments received
11 resets sent
Udp:
52 packets received
42 packets to unknown port received
0 packet receive errors
93 packets sent
0 receive buffer errors
0 send buffer errors
IgnoredMulti: 73
UdpLite:
TcpExt:
3 delayed acks sent
66 packet headers predicted
20 acknowledgments not containing data payload received
30 predicted acknowledgments
TCPTimeouts: 1
TCPLossProbes: 1
TCPRcvCoalesce: 145
TCPOFOQueue: 4
TCPOrigDataSent: 68
TCPKeepAlive: 2
IpExt:
InBcastPkts: 73
InOctets: 530734
OutOctets: 28599
InBcastOctets: 10601
InNoECTPkts: 657
netstat 汇总了 IP、ICMP、TCP、UDP 等各种协议的收发统计信息。不过，我们的目的是排查丢包问题，所以这里主要观察的是错误数、丢包数以及重传数。
根据上面的输出，你可以看到，只有 TCP 协议发生了丢包和重传，分别是：
- 11 次连接失败重试（11 failed connection attempts）
- 4 次重传（4 segments retransmitted）
- 11 次半连接重置（11 resets received for embryonic SYN_RECV sockets）
- 4 次 SYN 重传（TCPSynRetrans）
- 7 次超时（TCPTimeouts）
这个结果告诉我们，TCP 协议有多次超时和失败重试，并且主要错误是半连接重置。换句话说，主要的失败，都是三次握手失败。
不过，虽然在这儿看到了这么多失败，但具体失败的根源还是无法确定。所以，我们还需要继续顺着协议栈来分析。接下来的几层又该如何分析呢？你不妨自己先来思考操作一下，下一节我们
继续来一起探讨。
六、小结
网络丢包，通常会带来严重的性能下降，特别是对 TCP 来说，丢包通常意味着网络拥塞和重传，进一步还会导致网络延迟增大、吞吐降低。
今天的这个案例，我们学会了如何从链路层、网络层和传输层等入手，分析网络丢包的问题。不过，案例最后，我们还没有找出最终的性能瓶颈，下一节，我将继续为你讲解。
