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帶寬、延時(shí)、吞吐率、PPS 這些都是啥?

2020/12/15
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Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是根據(jù) TCP/IP 模型來實(shí)現(xiàn)的,TCP/IP 模型由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層,共四層組成,每一層都有各自的職責(zé)。

應(yīng)用程序要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),通常是通過 socket 接口,于是就會(huì)發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用,把應(yīng)用層的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核里的 socket 層,接著由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從上到下逐層處理后,最后才會(huì)送到網(wǎng)卡發(fā)送出去。

而對(duì)于接收網(wǎng)絡(luò)包時(shí),同樣也要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議逐層處理,不過處理的方向與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是相反的,也就是從下到上的逐層處理,最后才送到應(yīng)用程序。

網(wǎng)絡(luò)的速度往往跟用戶體驗(yàn)是掛鉤的,那我們又該用什么指標(biāo)來衡量 Linux 的網(wǎng)絡(luò)性能呢?以及如何分析網(wǎng)絡(luò)問題呢?

這次,我們就來說這些。

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性能指標(biāo)有哪些?

通常是以 4 個(gè)指標(biāo)來衡量網(wǎng)絡(luò)的性能,分別是帶寬、延時(shí)、吞吐率、PPS(Packet Per Second),它們表示的意義如下:

帶寬,表示鏈路的最大傳輸速率,單位是 b/s (比特 / 秒),帶寬越大,其傳輸能力就越強(qiáng)。

延時(shí),表示請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送后,收到對(duì)端響應(yīng),所需要的時(shí)間延遲。不同的場景有著不同的含義,比如可以表示建立 TCP 連接所需的時(shí)間延遲,或一個(gè)數(shù)據(jù)包往返所需的時(shí)間延遲。

吞吐率,表示單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,單位是 b/s(比特 / 秒)或者 B/s(字節(jié) / 秒),吞吐受帶寬限制,帶寬越大,吞吐率的上限才可能越高。

PPS,全稱是 Packet Per Second(包 / 秒),表示以網(wǎng)絡(luò)包為單位的傳輸速率,一般用來評(píng)估系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)能力。

當(dāng)然,除了以上這四種基本的指標(biāo),還有一些其他常用的性能指標(biāo),比如:

網(wǎng)絡(luò)的可用性,表示網(wǎng)絡(luò)能否正常通信;

并發(fā)連接數(shù),表示 TCP 連接數(shù)量;

丟包率,表示所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)組的比率;

重傳率,表示重傳網(wǎng)絡(luò)包的比例;

你可能會(huì)問了,如何觀測這些性能指標(biāo)呢?不急,繼續(xù)往下看。

網(wǎng)絡(luò)配置如何看?

要想知道網(wǎng)絡(luò)的配置和狀態(tài),我們可以使用 ifconfig 或者 ip 命令來查看。

這兩個(gè)命令功能都差不多,不過它們屬于不同的軟件包,ifconfig 屬于 net-tools 軟件包,ip 屬于 iproute2 軟件包,我的印象中 net-tools 軟件包沒有人繼續(xù)維護(hù)了,而 iproute2 軟件包是有開發(fā)者依然在維護(hù),所以更推薦你使用 ip 工具。

學(xué)以致用,那就來使用這兩個(gè)命令,來查看網(wǎng)口 eth0 的配置等信息:

雖然這兩個(gè)命令輸出的格式不盡相同,但是輸出的內(nèi)容基本相同,比如都包含了 IP 地址、子網(wǎng)掩碼、MAC 地址、網(wǎng)關(guān)地址、MTU 大小、網(wǎng)口的狀態(tài)以及網(wǎng)路包收發(fā)的統(tǒng)計(jì)信息,下面就來說說這些信息,它們都與網(wǎng)絡(luò)性能有一定的關(guān)系。

第一,網(wǎng)口的連接狀態(tài)標(biāo)志。其實(shí)也就是表示對(duì)應(yīng)的網(wǎng)口是否連接到交換機(jī)路由器等設(shè)備,如果 ifconfig 輸出中看到有 RUNNING,或者 ip 輸出中有 LOWER_UP,則說明物理網(wǎng)路是連通的,如果看不到,則表示網(wǎng)口沒有接網(wǎng)線。

第二,MTU 大小。默認(rèn)值是 1500 字節(jié),其作用主要是限制網(wǎng)絡(luò)包的大小,如果 IP 層有一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)要傳,而且數(shù)據(jù)幀的長度比鏈路層的 MTU 還大,那么 IP 層就需要進(jìn)行分片,即把數(shù)據(jù)報(bào)分成干片,這樣每一片就都小于 MTU。事實(shí)上,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路層 MTU 可能會(huì)不一樣,所以你可能需要調(diào)大或者調(diào)小 MTU 的數(shù)值。

第三,網(wǎng)口的 IP 地址、子網(wǎng)掩碼、MAC 地址、網(wǎng)關(guān)地址。這些信息必須要配置正確,網(wǎng)絡(luò)功能才能正常工作。

第四,網(wǎng)路包收發(fā)的統(tǒng)計(jì)信息。通常有網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的字節(jié)數(shù)、包數(shù)、錯(cuò)誤數(shù)以及丟包情況的信息,如果 TX(發(fā)送) 和 RX(接收) 部分中 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指標(biāo)不為 0 時(shí),則說明網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者接收出問題了,這些出錯(cuò)統(tǒng)計(jì)信息的指標(biāo)意義如下:

errors 表示發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包數(shù),比如校驗(yàn)錯(cuò)誤、幀同步錯(cuò)誤等;

dropped 表示丟棄的數(shù)據(jù)包數(shù),即數(shù)據(jù)包已經(jīng)收到了 Ring Buffer(這個(gè)緩沖區(qū)是在內(nèi)核內(nèi)存中,更具體一點(diǎn)是在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序里),但因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)存不足等原因而發(fā)生的丟包;

overruns 表示超限數(shù)據(jù)包數(shù),即網(wǎng)絡(luò)接收 / 發(fā)送速度過快,導(dǎo)致 Ring Buffer 中的數(shù)據(jù)包來不及處理,而導(dǎo)致的丟包,因?yàn)檫^多的數(shù)據(jù)包擠壓在 Ring Buffer,這樣 Ring Buffer 很容易就溢出了;

carrier 表示發(fā)生 carrirer 錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包數(shù),比如雙工模式不匹配、物理電纜出現(xiàn)問題等;

collisions 表示沖突、碰撞數(shù)據(jù)包數(shù);

ifconfigip 命令只顯示的是網(wǎng)口的配置以及收發(fā)數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)信息,而看不到協(xié)議棧里的信息,那接下來就來看看如何查看協(xié)議棧里的信息。

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socket 信息如何查看?

我們可以使用 netstat 或者 ss,這兩個(gè)命令查看 socket、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、網(wǎng)口以及路由表的信息。

雖然 netstatss 命令查看的信息都差不多,但是如果在生產(chǎn)環(huán)境中要查看這類信息的時(shí)候,盡量不要使用 netstat 命令,因?yàn)樗男阅懿缓?,在系統(tǒng)比較繁忙的情況下,如果頻繁使用 netstat 命令則會(huì)對(duì)性能的開銷雪上加霜,所以更推薦你使用性能更好的 ss 命令。

從下面這張圖,你可以看到這兩個(gè)命令的輸出內(nèi)容:

可以發(fā)現(xiàn),輸出的內(nèi)容都差不多, 比如都包含了 socket 的狀態(tài)(State)、接收隊(duì)列(Recv-Q)、發(fā)送隊(duì)列(Send-Q)、本地地址(Local Address)、遠(yuǎn)端地址(Foreign Address)、進(jìn)程 PID 和進(jìn)程名稱(PID/Program name)等。

接收隊(duì)列(Recv-Q)和發(fā)送隊(duì)列(Send-Q)比較特殊,在不同的 socket 狀態(tài)。它們表示的含義是不同的。

當(dāng) socket 狀態(tài)處于 Established時(shí):

Recv-Q 表示 socket 緩沖區(qū)中還沒有被應(yīng)用程序讀取的字節(jié)數(shù);

Send-Q 表示 socket 緩沖區(qū)中還沒有被遠(yuǎn)端主機(jī)確認(rèn)的字節(jié)數(shù);

而當(dāng) socket 狀態(tài)處于 Listen 時(shí):

Recv-Q 表示全連接隊(duì)列的長度;

Send-Q 表示全連接隊(duì)列的最大長度;

在 TCP 三次握手過程中,當(dāng)服務(wù)器收到客戶端的 SYN 包后,內(nèi)核會(huì)把該連接存儲(chǔ)到半連接隊(duì)列,然后再向客戶端發(fā)送 SYN+ACK 包,接著客戶端會(huì)返回 ACK,服務(wù)端收到第三次握手的 ACK 后,內(nèi)核會(huì)把連接從半連接隊(duì)列移除,然后創(chuàng)建新的完全的連接,并將其增加到全連接隊(duì)列 ,等待進(jìn)程調(diào)用 accept() 函數(shù)時(shí)把連接取出來。

半連接隊(duì)列與全連接隊(duì)列

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也就說,全連接隊(duì)列指的是服務(wù)器與客戶端完了 TCP 三次握手后,還沒有被 accept() 系統(tǒng)調(diào)用取走連接的隊(duì)列。

那對(duì)于協(xié)議棧的統(tǒng)計(jì)信息,依然還是使用 netstatss,它們查看統(tǒng)計(jì)信息的命令如下:

ss 命令輸出的統(tǒng)計(jì)信息相比 netsat 比較少,ss 只顯示已經(jīng)連接(estab)、關(guān)閉(closed)、孤兒(orphaned) socket 等簡要統(tǒng)計(jì)。

netstat 則有更詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧信息,比如上面顯示了 TCP 協(xié)議的主動(dòng)連接(active connections openings)、被動(dòng)連接(passive connection openings)、失敗重試(failed connection attempts)、發(fā)送(segments send out)和接收(segments received)的分段數(shù)量等各種信息。

網(wǎng)絡(luò)吞吐率和 PPS 如何查看?

可以使用 sar 命令當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和 PPS,用法是給 sar 增加 -n 參數(shù)就可以查看網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)信息,比如

sar -n DEV,顯示網(wǎng)口的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);

sar -n EDEV,顯示關(guān)于網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);

sar -n TCP,顯示 TCP 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

比如,我通過 sar 命令獲取了網(wǎng)口的統(tǒng)計(jì)信息:

它們的含義:

rxpck/stxpck/s 分別是接收和發(fā)送的 PPS,單位為包 / 秒。

rxkB/stxkB/s 分別是接收和發(fā)送的吞吐率,單位是 KB/ 秒。

rxcmp/stxcmp/s 分別是接收和發(fā)送的壓縮數(shù)據(jù)包數(shù),單位是包 / 秒。

對(duì)于帶寬,我們可以使用 ethtool 命令來查詢,它的單位通常是 Gb/s 或者 Mb/s,不過注意這里小寫字母 b ,表示比特而不是字節(jié)。我們通常提到的千兆網(wǎng)卡、萬兆網(wǎng)卡等,單位也都是比特(bit)。如下你可以看到, eth0 網(wǎng)卡就是一個(gè)千兆網(wǎng)卡:


$?ethtool?eth0?|?grep?Speed
??Speed:?1000Mb/s

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連通性和延時(shí)如何查看?

要測試本機(jī)與遠(yuǎn)程主機(jī)的連通性和延時(shí),通常是使用 ping 命令,它是基于 ICMP 協(xié)議的,工作在網(wǎng)絡(luò)層。

比如,如果要測試本機(jī)到 192.168.12.20 IP 地址的連通性和延時(shí):

顯示的內(nèi)容主要包含 ?icmp_seq(ICMP 序列號(hào))、TTL(生存時(shí)間,或者跳數(shù))以及 time (往返延時(shí)),而且最后會(huì)匯總本次測試的情況,如果網(wǎng)絡(luò)沒有丟包,packet loss 的百分比就是 0。

不過,需要注意的是,ping 不通服務(wù)器并不代表 HTTP 請(qǐng)求也不通,因?yàn)橛械姆?wù)器的防火墻是會(huì)禁用 ICMP 協(xié)議的。

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