Linux網(wǎng)絡(luò)包接收過程的監(jiān)控與調(diào)優(yōu)

Linux內(nèi)核對網(wǎng)絡(luò)包的接收過程大致可以分為接收到RingBuffer、硬中斷處理、ksoftirqd軟中斷處理幾個過程。其中在ksoftirqd軟中斷處理中，把數(shù)據(jù)包從RingBuffer中摘下來，送到協(xié)議棧的處理，再之后送到用戶進(jìn)程socket的接收隊(duì)列中。

在正式內(nèi)容開始之前，我們先來了解幾個Linux下監(jiān)控網(wǎng)卡時可用的工具。

1）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(shè)置網(wǎng)卡參數(shù)。這個工具其實(shí)本身只是提供幾個通用接口，真正的實(shí)現(xiàn)是都是在網(wǎng)卡驅(qū)動中的。正因?yàn)樵摴ぞ呤怯沈?qū)動直接實(shí)現(xiàn)的，所以個人覺得它最重要。

該命令比較復(fù)雜，我們選幾個今天能用到的說

實(shí)際查看一下網(wǎng)卡驅(qū)動：

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

2）ifconfig

網(wǎng)絡(luò)管理工具ifconfig不只是可以為網(wǎng)卡配置ip，啟動或者禁用網(wǎng)卡，也包含了一些網(wǎng)卡的統(tǒng)計(jì)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

3）偽文件系統(tǒng)/proc

Linux 內(nèi)核提供了 /proc 偽文件系統(tǒng)，通過/proc可以查看內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、改變內(nèi)核設(shè)置。我們先跑一下題，看一下這個偽文件系統(tǒng)里都有啥：

詳細(xì)聊下偽文件/proc/net/dev，通過它可以看到內(nèi)核中對網(wǎng)卡的一些相關(guān)統(tǒng)計(jì)。包含了以下信息：

所以，偽文件/proc/net/dev也可以作為我們查看網(wǎng)卡工作統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的工具之一。

4）偽文件系統(tǒng)sysfs

sysfs和/proc類似，也是一個偽文件系統(tǒng)，但是比proc更新，結(jié)構(gòu)更清晰。其中的/sys/class/net/eth0/statistics/也包含了網(wǎng)卡的統(tǒng)計(jì)信息。

# 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。

前面我們看到，當(dāng)網(wǎng)線中的數(shù)據(jù)幀到達(dá)網(wǎng)卡后，第一站就是RingBuffer（網(wǎng)卡通過DMA機(jī)制將數(shù)據(jù)幀送到RingBuffer中）。因此我們第一個要監(jiān)控和調(diào)優(yōu)的就是網(wǎng)卡的RingBuffer，我們使用ethtool來查看一下：

# 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(wǎng)卡設(shè)置RingBuffer最大允許設(shè)置到4096，目前的實(shí)際設(shè)置是512。

這里有一個小細(xì)節(jié)，ethtool查看到的是實(shí)際是Rx bd的大小。Rx bd位于網(wǎng)卡中，相當(dāng)于一個指針。RingBuffer在內(nèi)存中，Rx bd指向RingBuffer。Rx bd和RingBuffer中的元素是一一對應(yīng)的關(guān)系。在網(wǎng)卡啟動的時候，內(nèi)核會為網(wǎng)卡的Rx bd在內(nèi)存中分配RingBuffer，并設(shè)置好對應(yīng)關(guān)系。

在Linux的整個網(wǎng)絡(luò)棧中，RingBuffer起到一個任務(wù)的收發(fā)中轉(zhuǎn)站的角色。對于接收過程來講，網(wǎng)卡負(fù)責(zé)往RingBuffer中寫入收到的數(shù)據(jù)幀，ksoftirqd內(nèi)核線程負(fù)責(zé)從中取走處理。只要ksoftirqd線程工作的足夠快，RingBuffer這個中轉(zhuǎn)站就不會出現(xiàn)問題。但是我們設(shè)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(fā)生什么？這時RingBuffer可能瞬間就被填滿了，后面再來的包網(wǎng)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(wù)器上是否有因?yàn)檫@個原因?qū)е碌膩G包呢？前面我們介紹的四個工具都可以查看這個丟包統(tǒng)計(jì)，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(xiàn)為 overruns 指標(biāo)增長），就表示有包因?yàn)镽ingBuffer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(zhuǎn)倉庫”的大小。通過ethtool就可以修改。

# ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096

這樣網(wǎng)卡會被分配更大一點(diǎn)的”中轉(zhuǎn)站“，可以解決偶發(fā)的瞬時的丟包。不過這種方法有個小副作用，那就是排隊(duì)的包過多會增加處理網(wǎng)絡(luò)包的延時。所以另外一種解決思路更好，那就是讓內(nèi)核處理網(wǎng)絡(luò)包的速度更快一些，而不是讓網(wǎng)絡(luò)包傻傻地在RingBuffer中排隊(duì)。怎么加快內(nèi)核消費(fèi)RingBuffer中任務(wù)的速度呢，別著急，我們繼續(xù)往下看...

在數(shù)據(jù)被接收到RingBuffer之后，下一個執(zhí)行就是就是硬中斷的發(fā)起。我們先來查看硬中斷，然后再聊下怎么優(yōu)化。

1）監(jiān)控

硬中斷的情況可以通過內(nèi)核提供的偽文件/proc/interrupts來進(jìn)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(jié)果是我手頭的一臺虛機(jī)的輸出結(jié)果。上面包含了非常豐富的信息，讓我們一一道來：

這里有兩個細(xì)節(jié)我們需要關(guān)注一下。

這是因?yàn)閮?nèi)核的一個配置，在偽文件系統(tǒng)中可以查看到。

#cat /proc/irq/27/smp_affinity
8

smp_affinity里是CPU的親和性的綁定，8是二進(jìn)制的1000,第4位為1，代表的就是第4個CPU核心-CPU3.

（2）對于收包來過程來講，硬中斷的總次數(shù)表示的是Linux收包總數(shù)嗎？
不是，硬件中斷次數(shù)不代表總的網(wǎng)絡(luò)包數(shù)。第一網(wǎng)卡可以設(shè)置中斷合并，多個網(wǎng)絡(luò)幀可以只發(fā)起一次中斷。第二NAPI 運(yùn)行的時候會關(guān)閉硬中斷，通過poll來收包。

2）多隊(duì)列網(wǎng)卡調(diào)優(yōu)

現(xiàn)在的主流網(wǎng)卡基本上都是支持多隊(duì)列的，我們可以通過將不同的隊(duì)列分給不同的CPU核心來處理，從而加快Linux內(nèi)核處理網(wǎng)絡(luò)包的速度。這是最為有用的一個優(yōu)化手段。

每一個隊(duì)列都有一個中斷號，可以獨(dú)立向某個CPU核心發(fā)起硬中斷請求，讓CPU來poll包。通過將接收進(jìn)來的包被放到不同的內(nèi)存隊(duì)列里，多個CPU就可以同時分別向不同的隊(duì)列發(fā)起消費(fèi)了。這個特性叫做RSS（Receive Side Scaling，接收端擴(kuò)展）。通過ethtool工具可以查看網(wǎng)卡的隊(duì)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(jié)果表示當(dāng)前網(wǎng)卡支持的最大隊(duì)列數(shù)是63，當(dāng)前開啟的隊(duì)列數(shù)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(wǎng)絡(luò)收包。如果你想提高內(nèi)核收包的能力，直接簡單加大隊(duì)列數(shù)就可以了，這比加大RingBuffer更為有用。因?yàn)榧哟驲ingBuffer只是給個更大的空間讓網(wǎng)絡(luò)幀能繼續(xù)排隊(duì)，而加大隊(duì)列數(shù)則能讓包更早地被內(nèi)核處理。ethtool修改隊(duì)列數(shù)量方法如下：

#ethtool -L eth0 combined 32

我們前文說過，硬中斷發(fā)生在哪一個核上，它發(fā)出的軟中斷就由哪個核來處理。所有通過加大網(wǎng)卡隊(duì)列數(shù)，這樣硬中斷工作、軟中斷工作都會有更多的核心參與進(jìn)來。

每一個隊(duì)列都有一個中斷號，每一個中斷號都是綁定在一個特定的CPU上的。如果你不滿意某一個中斷的CPU綁定，可以通過修改/proc/irq/{中斷號}/smp_affinity來實(shí)現(xiàn)。

一般處理到這里，網(wǎng)絡(luò)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(jìn)來了，那怎么辦？放心，我們也還有方法提高單核的處理網(wǎng)絡(luò)包的接收速度。

3）硬中斷合并

先來講一個實(shí)際中的例子，假如你是一位開發(fā)同學(xué)，和你對口的產(chǎn)品經(jīng)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：

我們現(xiàn)在不考慮及時性，只考慮你的工作整體效率，你覺得那種方案下你的工作效率會高呢？或者換句話說，你更喜歡哪一種工作狀態(tài)呢？很明顯，只要你是一個正常的開發(fā)，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(jì)劃，你腦子里剛才剛想到一半技術(shù)方案可能也就廢了。當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)理走了以后，你再想撿起來剛被中斷之的工作的時候，很可能得花點(diǎn)時間回憶一會兒才能繼續(xù)工作。

對于CPU來講也是一樣，CPU要做一件新的事情之前，要加載該進(jìn)程的地址空間，load進(jìn)程代碼，讀取進(jìn)程數(shù)據(jù)，各級別cache要慢慢熱身。因此如果能適當(dāng)降低中斷的頻率，多攢幾個包一起發(fā)出中斷，對提升CPU的工作效率是有幫助的。所以，網(wǎng)卡允許我們對硬中斷進(jìn)行合并。

現(xiàn)在我們來看一下網(wǎng)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(jié)果的大致含義

如果你想好了修改其中的某一個參數(shù)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(shù)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(dāng)注意。

在硬中斷之后，再接下來的處理過程就是ksoftirqd內(nèi)核線程中處理的軟中斷了。之前我們說過，軟中斷和它對應(yīng)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(yōu)化其實(shí)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(yōu)化選項(xiàng)。

1）監(jiān)控

軟中斷的信息可以從 /proc/softirqs 讀?。?/span>

$ 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

2）軟中斷budget調(diào)整

不知道你有沒有聽說過番茄工作法，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(xiàng)作業(yè)。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，它也和番茄工作法思路類似。一旦它被硬中斷觸發(fā)開始了工作，它會集中精力處理一波兒網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜。我們只說其中一個比較容易理解的，那就是net.core.netdev_budget內(nèi)核參數(shù)。

# 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(wù)可以得到處理。那么假如說，我們現(xiàn)在就是想提高內(nèi)核處理網(wǎng)絡(luò)包的效率。那就可以讓ksoftirqd進(jìn)程多干一會兒網(wǎng)絡(luò)包的接收，再讓出CPU。至于怎么提高，直接修改不這個參數(shù)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

3）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(fā)起之前，而GRO已經(jīng)到了軟中斷上下文中了。

如果應(yīng)用中是大文件的傳輸，大部分包都是一段數(shù)據(jù)，不用GRO的話，會每次都將一個小包傳送到協(xié)議棧（IP接收函數(shù)、TCP接收）函數(shù)中進(jìn)行處理。開啟GRO的話，Linux就會智能進(jìn)行包的合并，之后將一個大包傳給協(xié)議處理函數(shù)。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(wǎng)卡驅(qū)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(yōu)化方式，對于發(fā)送來說是GSO。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這一領(lǐng)域里，有太多的知識內(nèi)容都停留在理論階段了。你可能覺得你的網(wǎng)絡(luò)學(xué)的滾瓜爛熟了，可是當(dāng)你的線上服務(wù)出現(xiàn)問題的時候，你還是不知道該怎么排查，怎么優(yōu)化。這就是因?yàn)橹欢死碚摚磺宄﨤inux是通過哪些內(nèi)核機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)落地的，各個內(nèi)核組件之間怎么配合，每個組件有哪些參數(shù)可以做調(diào)整。我們用兩篇文章詳細(xì)討論了Linux網(wǎng)絡(luò)包的接收過程，以及這個過程中的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如何查看，如何調(diào)優(yōu)。相信消化完這兩篇文章之后，你的網(wǎng)絡(luò)的理解直接能提升1個Level，你對線上服務(wù)的把控能力也會更加如魚得水。

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