Nginx性能优化-TCP篇

性能优化方法论

  • 软件层面提升硬件使用率
    • 增大CPU的利用率
    • 增大内存的利用率
    • 增大硬盘IO的利用率
    • 增大网络带宽的利用率
  • 提升硬件
    • 网卡：万兆网卡
    • 硬盘：固体硬盘，关注IOPS和BPS指标
    • CPU：更快主频，更多核心，更大缓存，更优架构
    • 内存：更快访问速度
  • 超出硬件性能上限后使用DNS

TCP基本知识

三次握手和四次挥手

tcp)

Tcp Fast Open

起到tcp加快通信的作用

  • net.ipv4.tcp_fastopen 系统开启TFO功能

    • 0：关闭
    • 1：作为客户端时
    • 2：作为服务端时
    • 3：无论客户端或服务端，都开启TFO

  • Tcp Fast Open nginx配置,指定TFO连接队列长度

listen addres[:port][fastopen=number];

滑动窗口

  • 用于限制连接的网速，解决报文乱序和可靠传输问题
  • Nginx中limit_rate等限速指令皆依赖它实现
  • 由操作系统内核实现
  • 连接两端各有发送窗口(用于发送内容)和接收窗口(用于接收内容)

nginx超时指令和滑动窗口

  • 两次读操作间的超时
client_body_timeout time; // 默认60s
  • 两次写操作间的超时
send_timeout time; // 默认60s
  • 兼具两次读写操作间的超时
proxy_timeout timeout; // 默认10m

缓冲区

  • 读缓存最小值、默认值、最大值、单位字节，覆盖net.core.rmem_max
net.ipv4.tcp_rmem=4096 87380 6291456
  • 写缓存最小值、默认值、最大值、单位字节，覆盖net.core.wmem_max
net.ipv4.tcp_wmem=4096 16384 4194304
  • 系统无内存压力，启动压力模式阈值、最大值，单位为页的数量
net.ipv4.tcp_mem=1541646 2055528 3083292
  • 开启自动调整缓存模式
net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf=1
  • 调整接收窗口与应用缓存
net.ipv4.tcp_adv_win_scale=1

应用缓存=buffer/(2^tcp_adv_win_scale)

吞吐量=窗口/时延

BDP=带宽*时延

Nagle算法

作用：

1、避免一个连接上同时存在大量小报文：最多只存在一个小报文，合并多个小报文一起发送

2、提高带宽利用率

  • Nagle算法在Nginx配置
tcp_nodelay off; // 吞吐量优先，开启Nagle算法。默认on
tcp_nodelay on; // 低时延优先，禁用Nagle算法。默认on
  • Nginx避免发送小报文配置
postpone_output size; // 默认1460

CORK算法

仅针对sendfile on开启时有效，完全禁止小报文的发送，提升网络效率

tcp_nopush on|off; // 默认off开启

拥塞窗口

什么是拥塞窗口？发送方主动限制流量

什么是通告窗口？接收方限制流量

实际流量：拥塞窗口与通告窗口的最小值

拥塞处理：

  • 慢启动

    • 指数扩展拥塞窗口（cwnd为拥塞窗口大小）
      • 每收到1个ACK，cwnd=cwnd+1
      • 每过一个RTT，cwnd=cwnd*2

  • 拥塞避免

    • 线性扩展拥塞窗口
      • 每收到1个ACK，cwnd=cwnd+1/cwnd
      • 每过一个RTT，窗口加1

  • 拥塞发送

    • 急速降低拥塞窗口
      • RTO超时，threshold=cwnd/2，cwnd=1
      • Fast Retransmit ，收到3个duplicate ACK，cwnd=cwnd/2，threshold=cwnd

  • 快速恢复

    • 当Fast Retransmit出现时，cwnd调整为threshold+3*MSS

RTT(Round Trip Time)由物理链路传输时间+末端处理时间+路由器排队处理时间组成。

RTO(Retransmission Time Out)正确的重传之前的丢包

KeepAlive功能

tcp的keepalive和http的keepalive作用是不同的，http是为了复用，tcp则为了尽快释放。

tcp keepalive应用场景：检测实际断掉的连接和用于维持与客户端间防火墙有活跃网络包

linux系统的tcp keepalive：

  • 发送心跳周期
net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200 // 秒
  • 探测包发送间隔
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75
  • 探测包重试次数
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9

Nginx的tcp keepalive：

  • so_keepalive=30m::10
  • Keepidlea,keepintvl,keepcnt

time_wait状态

被动关闭连接

查看连接状态，State字段

netstat -ant
或者ss -ant
  • 存在大量CLOSE_WAIT状态：应用进程没有及时响应对端关闭连接
  • 存在大量LAST_ACK状态：等待接收主动关闭端操作系统发来的针对FIN的ACK报文

主动关闭连接

fin_wait1状态和fin_wait2状态

  • fin_wait1状态，发送FIN报文的重试次数，0相当于8
net.ipv4.tcp_orphan_retries=0
  • fin_wait2状态，保持在FIN_WAIT_2状态的时间
net.ipv4.tcp_fin_timeout=60

time_wait状态有什么用？

time_wait存在的2个原因：

  1. 可靠地终止TCP连接
  2. 保证让迟来的TCP报文段有足够的时间被识别并丢弃

MSL(Maximum Segment Lifetime)报文最大生存时间,tcp报文生存周期1MSL，2MSL是为了确保网络上的tcp报文已经无了。所以维持TIME_WAIT状态的时长是2MSL，保证至少一次报文的往返时间内端口是不可复用。

time_wait优化

  • 开启后，作为客户端时新连接可以使用仍然处于time_wait状态端口
net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
  • 由于timestamp的存在，操作系统可以拒绝迟到的报文
net,ipv4.tcp_timestamps=1
  • 开启后，同时作为客户端和服务器都可以使用time_wait状态的端口，不安全，无法避免报文延迟、重复等给新连接造成混乱
net.ipv4.tcp_tw_recycle=0
  • Time_wait状态连接的最大数量，超出后直接关闭连接
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets=262144

lingering_close延迟关闭

意义：当Nginx处理完成调用close关闭连接后，若接收缓冲区仍然收到客户端发来的内容，则服务器会向客户端发送RST包关闭连接，导致客户端由于收到RST而忽略了http response

Nginx配置：

  • off 关闭功能
  • on由Nginx判断，当用户请求未接收完(根据chunk或者Content-Length头部等)时启用功能，否则及时关闭连接
  • always无条件启用功能
lingering_close off|on|always; // 默认on
  • 当功能启用时，最长的读取用户请求内容的时长，达到后立刻关闭连接
lingering_time time; //默认30s
  • 当功能启用时，检测客户端是否仍然请求内容到达，若超时后仍没有数据达到，则立刻关闭连接
lingering_timeout time; //默认5s

RST代替正常四次挥手关闭连接

  • 当读、写超时指令生效引发连接关闭时产生的异常，通过发送RST立刻释放端口、内存等资源来关闭连接
reset_timedout_connection on|off; // 默认off

SYN攻击

什么是SYN攻击：攻击者短时间伪造不同IP地址的SYN报文，快速占满backlog队列，使服务器不能为正常用户服务

对SYN攻击防御的内核参数配置

  • 接收自网卡，但未被内核协议栈处理的报文队列长度
net.core.netdev_max_backlog
  • backlog队列长度，nginx配置
listen addres[:port][backlog=number]
  • SYN_RCVD状态连接的最大个数(半连接)
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog
  • 超出处理能力时，对新来的SYN直接回包RST，丢弃连接
net.ipv4.tcp_abort_on_overflow
  • 当SYN队列满后，新的SYN不进入队列，计算出cookie再以SYN+ACK中的序列号返回客户端，正常客户端发报文时，服务器根据报文中携带的cookie重新恢复连接
    • 由于cookie占用序列号空间，导致此时所有TCP可选功能失效，例如扩充窗口、时间戳等
net.ipv4.tcp_syncookies = 1

文件句柄数

linux系统一切皆文件，并发的时候文件句柄数有上限

系统全局

  • 操作系统可使用的最大句柄数
fs.file-max

查看命令：sysctl -a|grep file-max

  • 使用fs.file-nr可以查看当前已分配、正在使用、上限
fs.file-nr=21632 0 40000500

查看命令：sysctl -a|grep file-nr

用户级别

# /etc/security/limits.conf
root soft nofile 65535
root hard nofile 65535

进程级别

  • nginx配置文件
worker_rlimit_nofile number; // 默认无

相关配置

  • 客户端 主动建立连接时，发SYN的重试次数
net.ipv4.tcp_syn_retries=6
  • 客户端 建立连接时的本地端口可用范围
net.ipv4.ip_local_port_range=32768 60999
  • 主动建立连接时应用层超时时间
proxy_connect_timeout time; // 默认是60s
  • 服务端 SYN_RCVD状态连接的最大个数(半连接)
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog
  • 服务端 被动建立连接时，发SYN/ACK的重试次数
net.ipv4.tcp_synack_retries
  • 接收自网卡，但未被内核协议栈处理的报文队列长度
net.core.netdev_max_backlog = 262144
  • backlog队列长度，nginx配置
listen addres[:port][backlog=number]
  • ACCEPT队列已完成握手
net.core.somaxconn
  • 超出处理能力时，对新来的SYN直接回包RST，丢弃连接
net.ipv4.tcp_abort_on_overflow
  • 当SYN队列满后，新的SYN不进入队列，计算出cookie再以SYN+ACK中的序列号返回客户端，正常客户端发报文时，服务器根据报文中携带的cookie重新恢复连接
    • 由于cookie占用序列号空间，导致此时所有TCP可选功能失效，例如扩充窗口、时间戳等
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
  • 设置worker进程最大连接数量
worker_connections number; // 默认512

  • net.ipv4.tcp_fastopen 系统开启TFO功能

    • 0：关闭
    • 1：作为客户端时
    • 2：作为服务端时
    • 3：无论客户端或服务端，都开启TFO

  • Tcp Fast Open nginx配置,指定TFO连接队列长度

listen addres[:port][fastopen=number];
  • 两次读操作间的超时
client_body_timeout time; // 默认60s
  • 两次写操作间的超时
send_timeout time; // 默认60s
  • 兼具两次读写操作间的超时
proxy_timeout timeout; // 默认10m
  • 限制重传次数-丢包重传达到上限后，更新路由缓存
net.ipv4.tcp_retries1=3
  • 限制重传次数-丢包重传达到上限后，关闭TCP连接
net.ipv4.tcp_retries2=15
  • Nagle算法在Nginx配置
tcp_nodelay off; // 吞吐量优先，开启Nagle算法。默认on
tcp_nodelay on; // 低时延优先，禁用Nagle算法。默认on
  • Nginx避免发送小报文配置
postpone_output size; // 默认1460
  • 完全禁止小报文的发送
tcp_nopush on|off; // 默认off开启
  • 发送心跳周期
net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200 // 秒
  • 探测包发送间隔
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75
  • 探测包重试次数
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9
  • fin_wait1状态，发送FIN报文的重试次数，0相当于8
net.ipv4.tcp_orphan_retries=0
  • fin_wait2状态，保持在FIN_WAIT_2状态的时间
net.ipv4.tcp_fin_timeout=60
  • 开启后，作为客户端时新连接可以使用仍然处于time_wait状态端口
net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
  • 由于timestamp的存在，操作系统可以拒绝迟到的报文
net,ipv4.tcp_timestamps=1
  • 开启后，同时作为客户端和服务器都可以使用time_wait状态的端口，不安全，无法避免报文延迟、重复等给新连接造成混乱
net.ipv4.tcp_tw_recycle=0
  • Time_wait状态连接的最大数量，超出后直接关闭连接
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets=262144
  • off 关闭功能
  • on由Nginx判断，当用户请求未接收完(根据chunk或者Content-Length头部等)时启用功能，否则及时关闭连接
  • always无条件启用功能
lingering_close off|on|always; // 默认on
  • 当功能启用时，最长的读取用户请求内容的时长，达到后立刻关闭连接
lingering_time time; //默认30s
  • 当功能启用时，检测客户端是否仍然请求内容到达，若超时后仍没有数据达到，则立刻关闭连接
lingering_timeout time; //默认5s
  • 当读写超时指令生效引发连接关闭时，通过发送RST立刻释放端口、内存等资源来关闭连接
reset_timedout_connection on|off; // 默认off

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