(31条消息) Linux TCP队列相关参数的总结

在Linux上做网络应用的性能优化时，一般都会对TCP相关的内核参数进行调节，特别是和缓冲、队列有关的参数。很多文章会告诉你需要修改哪些参数，但我们经常是知其然而不知其所以然，每次照抄过来后，可能很快就忘记或混淆了它们的含义。

下面我以server端为视角，从连接建立、数据包接收和数据包发送这3条路径对参数进行归类梳理。

一、连接建立

简单看下连接的建立过程，客户端向server发送SYN包，server回复SYN＋ACK，同时将这个处于SYN_RECV状态的连接保存到半连接队列。客户端返回ACK包完成三次握手，server将ESTABLISHED状态的连接移入accept队列，等待应用调用accept()。可以看到建立连接涉及两个队列：

半连接队列，保存SYN_RECV状态的连接。队列长度由net.ipv4.tcp_max_syn_backlog设置

accept队列，保存ESTABLISHED状态的连接。队列长度为min(net.core.somaxconn,backlog)。其中backlog是我们创建ServerSocket(intport,int backlog)时指定的参数，最终会传递给listen方法： #include int listen(int sockfd, int backlog); 如果我们设置的backlog大于net.core.somaxconn，accept队列的长度将被设置为net.core.somaxconn

另外，为了应对SYNflooding（即客户端只发送SYN包发起握手而不回应ACK完成连接建立，填满server端的半连接队列，让它无法处理正常的握手请求），Linux实现了一种称为SYNcookie的机制，通过net.ipv4.tcp_syncookies控制，设置为1表示开启。简单说SYNcookie就是将连接信息编码在ISN(initialsequencenumber)中返回给客户端，这时server不需要将半连接保存在队列中，而是利用客户端随后发来的ACK带回的ISN还原连接信息，以完成连接的建立，避免了半连接队列被攻击SYN包填满。对于一去不复返的客户端握手，不理它就是了。

二、数据包的接收

先看看接收数据包经过的路径：

数据包的接收，从下往上经过了三层：网卡驱动、系统内核空间，最后到用户态空间的应用。Linux内核使用sk_buff(socketkernel buffers)数据结构描述一个数据包。当一个新的数据包到达，NIC（networkinterface controller）调用DMAengine，通过RingBuffer将数据包放置到内核内存区。RingBuffer的大小固定，它不包含实际的数据包，而是包含了指向sk_buff的描述符。当RingBuffer满的时候，新来的数据包将给丢弃。一旦数据包被成功接收，NIC发起中断，由内核的中断处理程序将数据包传递给IP层。经过IP层的处理，数据包被放入队列等待TCP层处理。每个数据包经过TCP层一系列复杂的步骤，更新TCP状态机，最终到达recvBuffer，等待被应用接收处理。有一点需要注意，数据包到达recvBuffer，TCP就会回ACK确认，既TCP的ACK表示数据包已经被操作系统内核收到，但并不确保应用层一定收到数据（例如这个时候系统crash），因此一般建议应用协议层也要设计自己的确认机制。

上面就是一个相当简化的数据包接收流程，让我们逐层看看队列缓冲有关的参数。

1、网卡Bonding模式当主机有1个以上的网卡时，Linux会将多个网卡绑定为一个虚拟的bonded网络接口，对TCP/IP而言只存在一个bonded网卡。多网卡绑定一方面能够提高网络吞吐量，另一方面也可以增强网络高可用。Linux支持7种Bonding模式：

详细的说明参考内核文档LinuxEthernet Bonding Driver HOWTO。我们可以通过 cat/proc/net/bonding/bond0查看本机的Bonding模式：

一般很少需要开发去设置网卡Bonding模式，自己实验的话可以参考这篇文档。

Mode 0(balance-rr) Round-robin策略，这个模式具备负载均衡和容错能力

Mode 1(active-backup) 主备策略，在绑定中只有一个网卡被激活，其他处于备份状态

Mode 2(balance-xor) XOR策略，通过源MAC地址与目的MAC地址做异或操作选择slave网卡

Mode 3 (broadcast) 广播，在所有的网卡上传送所有的报文

Mode 4 (802.3ad) IEEE 802.3ad动态链路聚合。创建共享相同的速率和双工模式的聚合组

Mode 5 (balance-tlb) Adaptive transmit loadbalancing

Mode 6 (balance-alb) Adaptive loadbalancing

2、网卡多队列及中断绑定

随着网络的带宽的不断提升，单核CPU已经不能满足网卡的需求，这时通过多队列网卡驱动的支持，可以将每个队列通过中断绑定到不同的CPU核上，充分利用多核提升数据包的处理能力。

首先查看网卡是否支持多队列，使用lspci-vvv命令，找到Ethernetcontroller项：

如果有MSI-X， Enable+ 并且Count > 1，则该网卡是多队列网卡。

然后查看是否打开了网卡多队列。使用命令cat/proc/interrupts，如果看到eth0-TxRx-0表明多队列支持已经打开：

最后确认每个队列是否绑定到不同的CPU。cat/proc/interrupts查询到每个队列的中断号，对应的文件/proc/irq/${IRQ_NUM}/smp_affinity为中断号IRQ_NUM绑定的CPU核的情况。以十六进制表示，每一位代表一个CPU核：

（00000001）代表CPU0（00000010）代表CPU1（00000011）代表CPU0和CPU1

如果绑定的不均衡，可以手工设置，例如：

echo "1" > /proc/irq/99/smp_affinity echo "2" > /proc/irq/100/smp_affinity echo "4" > /proc/irq/101/smp_affinity echo "8" > /proc/irq/102/smp_affinity echo "10" > /proc/irq/103/smp_affinity echo "20" > /proc/irq/104/smp_affinity echo "40" > /proc/irq/105/smp_affinity echo "80" > /proc/irq/106/smp_affinity

3、RingBuffer

Ring Buffer位于NIC和IP层之间，是一个典型的FIFO（先进先出）环形队列。RingBuffer没有包含数据本身，而是包含了指向sk_buff（socketkernel buffers）的描述符。可以使用ethtool-g eth0查看当前RingBuffer的设置：

上面的例子接收队列为4096，传输队列为256。可以通过ifconfig观察接收和传输队列的运行状况：

RXerrors：收包总的错误数

RX dropped:表示数据包已经进入了RingBuffer，但是由于内存不够等系统原因，导致在拷贝到内存的过程中被丢弃。

RX overruns:overruns意味着数据包没到RingBuffer就被网卡物理层给丢弃了，而CPU无法及时的处理中断是造成RingBuffer满的原因之一，例如中断分配的不均匀。当dropped数量持续增加，建议增大RingBuffer，使用ethtool-G进行设置。

4、InputPacket Queue(数据包接收队列)

当接收数据包的速率大于内核TCP处理包的速率，数据包将会缓冲在TCP层之前的队列中。接收队列的长度由参数 net.core.netdev_max_backlog设置。

5、recvBuffer

recv buffer是调节TCP性能的关键参数。BDP(Bandwidth-delayproduct，带宽延迟积) 是网络的带宽和与RTT(roundtrip time)的乘积，BDP的含义是任意时刻处于在途未确认的最大数据量。RTT使用ping命令可以很容易的得到。为了达到最大的吞吐量，recvBuffer的设置应该大于BDP，即recvBuffer >= bandwidth * RTT。假设带宽是100Mbps，RTT是100ms，那么BDP的计算如下：

BDP = 100Mbps * 100ms = (100 / 8) * (100 / 1000) = 1.25MB

Linux在2.6.17以后增加了recvBuffer自动调节机制，recvbuffer的实际大小会自动在最小值和最大值之间浮动，以期找到性能和资源的平衡点，因此大多数情况下不建议将recvbuffer手工设置成固定值。

当 net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf设置为1时，自动调节机制生效，每个TCP连接的recvBuffer由下面的3元数组指定：

net.ipv4.tcp_rmem =

最初recvbuffer被设置为，同时这个缺省值会覆盖net.core.rmem_default的设置。随后recvbuffer根据实际情况在最大值和最小值之间动态调节。在缓冲的动态调优机制开启的情况下，我们将net.ipv4.tcp_rmem的最大值设置为BDP。

当 net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf被设置为0，或者设置了socket选项SO_RCVBUF，缓冲的动态调节机制被关闭。recvbuffer的缺省值由net.core.rmem_default设置，但如果设置了net.ipv4.tcp_rmem，缺省值则被覆盖。可以通过系统调用setsockopt()设置recvbuffer的最大值为net.core.rmem_max。在缓冲动态调节机制关闭的情况下，建议把缓冲的缺省值设置为BDP。

注意这里还有一个细节，缓冲除了保存接收的数据本身，还需要一部分空间保存socket数据结构等额外信息。因此上面讨论的recvbuffer最佳值仅仅等于BDP是不够的，还需要考虑保存socket等额外信息的开销。Linux根据参数 net.ipv4.tcp_adv_win_scale计算额外开销的大小：

如果 net.ipv4.tcp_adv_win_scale的值为1，则二分之一的缓冲空间用来做额外开销，如果为2的话，则四分之一缓冲空间用来做额外开销。因此recvbuffer的最佳值应该设置为：

三、数据包的发送

发送数据包经过的路径：

和接收数据的路径相反，数据包的发送从上往下也经过了三层：用户态空间的应用、系统内核空间、最后到网卡驱动。应用先将数据写入TCP sendbuffer，TCP层将sendbuffer中的数据构建成数据包转交给IP层。IP层会将待发送的数据包放入队列QDisc(queueingdiscipline)。数据包成功放入QDisc后，指向数据包的描述符sk_buff被放入RingBuffer输出队列，随后网卡驱动调用DMAengine将数据发送到网络链路上。

同样我们逐层来梳理队列缓冲有关的参数。

1、sendBuffer

同recvBuffer类似，和sendBuffer有关的参数如下： net.ipv4.tcp_wmem = net.core.wmem_defaultnet.core.wmem_max 发送端缓冲的自动调节机制很早就已经实现，并且是无条件开启，没有参数去设置。如果指定了tcp_wmem，则net.core.wmem_default被tcp_wmem的覆盖。sendBuffer在tcp_wmem的最小值和最大值之间自动调节。如果调用setsockopt()设置了socket选项SO_SNDBUF，将关闭发送端缓冲的自动调节机制，tcp_wmem将被忽略，SO_SNDBUF的最大值由net.core.wmem_max限制。

2、QDisc

QDisc（queueing discipline ）位于IP层和网卡的ringbuffer之间。我们已经知道，ringbuffer是一个简单的FIFO队列，这种设计使网卡的驱动层保持简单和快速。而QDisc实现了流量管理的高级功能，包括流量分类，优先级和流量整形（rate-shaping）。可以使用tc命令配置QDisc。

QDisc的队列长度由txqueuelen设置，和接收数据包的队列长度由内核参数 net.core.netdev_max_backlog控制所不同，txqueuelen是和网卡关联，可以用ifconfig命令查看当前的大小：

使用ifconfig调整txqueuelen的大小：

ifconfig eth0 txqueuelen 2000

3、RingBuffer

和数据包的接收一样，发送数据包也要经过RingBuffer，使用ethtool-g eth0查看：

其中TX项是RingBuffer的传输队列，也就是发送队列的长度。设置也是使用命令ethtool-G。

4、TCPSegmentation和Checksum Offloading

操作系统可以把一些TCP/IP的功能转交给网卡去完成，特别是Segmentation(分片)和checksum的计算，这样可以节省CPU资源，并且由硬件代替OS执行这些操作会带来性能的提升。一般以太网的MTU（MaximumTransmission Unit）为1500 bytes，假设应用要发送数据包的大小为7300bytes，MTU1500字节－ IP头部20字节－TCP头部20字节＝有效负载为1460字节，因此7300字节需要拆分成5个segment：

Segmentation(分片)操作可以由操作系统移交给网卡完成，虽然最终线路上仍然是传输5个包，但这样节省了CPU资源并带来性能的提升：

可以使用ethtool-k eth0查看网卡当前的offloading情况：

上面这个例子checksum和tcpsegmentation的offloading都是打开的。如果想设置网卡的offloading开关，可以使用ethtool-K(注意K是大写)命令，例如下面的命令关闭了tcp segmentation offload： sudo ethtool -K eth0 tso off

5、网卡多队列和网卡Bonding模式

在数据包的接收过程中已经介绍过了。

至此，终于梳理完毕。

底层

backlog参数主要用于底层方法int listen(int sockfd, int backlog)，在解释backlog参数之前，我们先了解下tcp在内核的请求过程，其实就是tcp的三次握手：

1、client发送SYN到server，将状态修改为SYN_SEND，如果server收到请求，则将状态修改为SYN_RCVD，并把该请求放到syns queue队列中。 2、server回复SYN+ACK给client，如果client收到请求，则将状态修改为ESTABLISHED，并发送ACK给server。 3、server收到ACK，将状态修改为ESTABLISHED，并把该请求从syns queue中放到accept queue。

在linux系统内核中维护了两个队列：syns queue和accept queue

syns queue 用于保存半连接状态的请求，其大小通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog指定，一般默认值是512，不过这个设置有效的前提是系统的syncookies功能被禁用。互联网常见的TCP SYN FLOOD恶意DOS攻击方式就是建立大量的半连接状态的请求，然后丢弃，导致syns queue不能保存其它正常的请求。

accept queue 用于保存全连接状态的请求，其大小通过/proc/sys/net/core/somaxconn指定，在使用listen函数时，内核会根据传入的backlog参数与系统参数somaxconn，取二者的较小值。

如果accpet queue队列满了，server将发送一个ECONNREFUSED错误信息Connection refused到client。

应用层

在netty实现中，backlog默认通过NetUtil.SOMAXCONN指定。

当然也可以通过option方法自定义backlog的大小。

backlog设置注意点

前面已经提到过，内核会根据somaxconn和backlog的较小值设置accept queue的大小，如果想扩大accept queue的大小，必须要同时调整这两个参数。

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backlog参数的含义

TCP建立连接是要进行三次握手，但是否完成三次握手后，服务器就处理（accept）呢？

backlog其实是一个连接队列，在Linux内核2.2之前，backlog大小包括半连接状态和全连接状态两种队列大小。

半连接状态为：服务器处于Listen状态时收到客户端SYN报文时放入半连接队列中，即SYN queue（服务器端口状态为：SYN_RCVD）。

全连接状态为：TCP的连接状态从服务器（SYN+ACK）响应客户端后，到客户端的ACK报文到达服务器之前，则一直保留在半连接状态中；当服务器接收到客户端的ACK报文后，该条目将从半连接队列搬到全连接队列尾部，即 accept queue （服务器端口状态为：ESTABLISHED）。

在Linux内核2.2之后，分离为两个backlog来分别限制半连接（SYN_RCVD状态）队列大小和全连接（ESTABLISHED状态）队列大小。

SYN queue 队列长度由 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 指定，默认为2048。

Accept queue 队列长度由 /proc/sys/net/core/somaxconn 和使用listen函数时传入的参数，二者取最小值。默认为128。在Linux内核2.4.25之前，是写死在代码常量 SOMAXCONN ，在Linux内核2.4.25之后，在配置文件 /proc/sys/net/core/somaxconn 中直接修改，或者在 /etc/sysctl.conf 中配置 net.core.somaxconn = 128 。

两个队列在连接过程中所处的位置如下图所示：

tcp_backlog.png

如何查看监听状态

Recv-Q & Send-Q

先看下man netstat中的说明：

Recv-Q：The count of bytes not copied by the user program connected to this socket.

Send-Q：The count of bytes not acknowledged by the remote host.

这里有一篇关于这两个队列的分析文章，https://www.cnblogs.com/leezhxing/p/5329786.html，结论是这样，要区分LISTEN状态和其他状态：

LISTEN 状态: Recv-Q 表示的当前等待服务端调用 accept 完成三次握手的 listen backlog 数值，也就是说，当客户端通过 connect() 去连接正在 listen() 的服务端时，这些连接会一直处于这个 queue 里面直到被服务端 accept()；Send-Q 表示的则是最大的 listen backlog 数值，这就就是上面提到的 min(backlog, somaxconn) 的值。

其余状态: 非 LISTEN 状态之前理解的没有问题。Recv-Q 表示 receive queue 中的 bytes 数量；Send-Q 表示 send queue 中的 bytes 数值。

在我的机器上做了下验证

操作系统

$ uname -a
Linux ubuntu 3.11.0-15-generic #25~precise1-Ubuntu SMP Thu Jan 30 17:39:31 UTC 2014 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

在8888这个端口启动一个监听程序, 程序中不accept

netstat命令查看

$ netstat -apn |grep 8888
tcp        0      0 127.0.0.1:8888          0.0.0.0:*               LISTEN      5399/thundering_her

打开两个telnet连接

telnet 127.0.0.1 8888

ss命令查看

$ ss -l |grep 8888
LISTEN      2      50                                       127.0.0.1:8888                                              *:*

Send-Q为2，Recv-Q为listen中设置的值

结论：两个命令中Send-Q和Recv-Q的含义是不同的，

netstat中应该是man里面说明的含义

ss中才是上面文章中的结论：

Recv-Q 表示的当前等待服务端调用 accept 完成三次握手的 listen backlog 数值；

Send-Q 表示min(backlog, somaxconn)

(31条消息) Linux TCP队列相关参数的总结_一口Linux的专栏-CSDN博客