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

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

类型
网络
URL
是否整理吸收
Date
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

notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
  • 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。
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。
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:
notion image
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:
notion image

三、数据包的发送

发送数据包经过的路径:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
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:
notion image
可以使用ethtool-k eth0查看网卡当前的offloading情况:
notion image
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:
notion image
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。
notion image
当然也可以通过option方法自定义backlog的大小。
notion image

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。
====================================

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:
notion image
tcp_backlog.png

如何查看监听状态

notion image

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:
      1. 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;
      1. Send-Q 表示min(backlog, somaxconn)

Loading Comments...