Linux TCP隊列相關(guān)參數(shù)的總結(jié)

在Linux上做網(wǎng)絡應用的性能優(yōu)化時，一般都會對TCP相關(guān)的內(nèi)核參數(shù)進行調(diào)節(jié)，特別是和緩沖、隊列有關(guān)的參數(shù)。很多文章會告訴你需要修改哪些參數(shù)，但我們經(jīng)常是知其然而不知其所以然，每次照抄過來后，可能很快就忘記或混淆了它們的含義。

下面我以server端為視角，從 連接建立、 數(shù)據(jù)包接收 和 數(shù)據(jù)包發(fā)送 這3條路徑對參數(shù)進行歸類梳理。

一、連接建立

簡單看下連接的建立過程，客戶端向server發(fā)送SYN包，server回復SYN＋ACK，同時將這個處于SYN_RECV狀態(tài)的連接保存到半連接隊列。客戶端返回ACK包完成三次握手，server將ESTABLISHED狀態(tài)的連接移入accept隊列，等待應用調(diào)用accept()。可以看到建立連接涉及兩個隊列：

半連接隊列，保存SYN_RECV狀態(tài)的連接。隊列長度由net.ipv4.tcp_max_syn_backlog設置

accept隊列，保存ESTABLISHED狀態(tài)的連接。隊列長度為min(net.core.somaxconn,backlog)。其中backlog是我們創(chuàng)建ServerSocket(intport,int backlog)時指定的參數(shù)，最終會傳遞給listen方法：#include int listen(int sockfd, int backlog); 如果我們設置的backlog大于net.core.somaxconn，accept隊列的長度將被設置為net.core.somaxconn

另外，為了應對SYNflooding（即客戶端只發(fā)送SYN包發(fā)起握手而不回應ACK完成連接建立，填滿server端的半連接隊列，讓它無法處理正常的握手請求），Linux實現(xiàn)了一種稱為SYNcookie的機制，通過net.ipv4.tcp_syncookies控制，設置為1表示開啟。簡單說SYNcookie就是將連接信息編碼在ISN(initialsequencenumber)中返回給客戶端，這時server不需要將半連接保存在隊列中，而是利用客戶端隨后發(fā)來的ACK帶回的ISN還原連接信息，以完成連接的建立，避免了半連接隊列被攻擊SYN包填滿。對于一去不復返的客戶端握手，不理它就是了。

二、數(shù)據(jù)包的接收

先看看接收數(shù)據(jù)包經(jīng)過的路徑：

數(shù)據(jù)包的接收，從下往上經(jīng)過了三層：網(wǎng)卡驅(qū)動、系統(tǒng)內(nèi)核空間，最后到用戶態(tài)空間的應用。Linux內(nèi)核使用sk_buff(socketkernel buffers)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述一個數(shù)據(jù)包。當一個新的數(shù)據(jù)包到達，NIC（networkinterface controller）調(diào)用DMAengine，通過RingBuffer將數(shù)據(jù)包放置到內(nèi)核內(nèi)存區(qū)。RingBuffer的大小固定，它不包含實際的數(shù)據(jù)包，而是包含了指向sk_buff的描述符。當RingBuffer滿的時候，新來的數(shù)據(jù)包將給丟棄。一旦數(shù)據(jù)包被成功接收，NIC發(fā)起中斷，由內(nèi)核的中斷處理程序?qū)?shù)據(jù)包傳遞給IP層。經(jīng)過IP層的處理，數(shù)據(jù)包被放入隊列等待TCP層處理。每個數(shù)據(jù)包經(jīng)過TCP層一系列復雜的步驟，更新TCP狀態(tài)機，最終到達recvBuffer，等待被應用接收處理。有一點需要注意，數(shù)據(jù)包到達recvBuffer，TCP就會回ACK確認，既TCP的ACK表示數(shù)據(jù)包已經(jīng)被操作系統(tǒng)內(nèi)核收到，但并不確保應用層一定收到數(shù)據(jù)（例如這個時候系統(tǒng)crash），因此一般建議應用協(xié)議層也要設計自己的確認機制。

上面就是一個相當簡化的數(shù)據(jù)包接收流程，讓我們逐層看看隊列緩沖有關(guān)的參數(shù)。

**1、網(wǎng)卡Bonding模式 **

當主機有1個以上的網(wǎng)卡時，Linux會將多個網(wǎng)卡綁定為一個虛擬的bonded網(wǎng)絡接口，對TCP/IP而言只存在一個bonded網(wǎng)卡。多網(wǎng)卡綁定一方面能夠提高網(wǎng)絡吞吐量，另一方面也可以增強網(wǎng)絡高可用。Linux支持7種Bonding模式：

詳細的說明參考內(nèi)核文檔LinuxEthernet Bonding Driver HOWTO。我們可以通過 cat/proc/net/bonding/bond0查看本機的Bonding模式：

一般很少需要開發(fā)去設置網(wǎng)卡Bonding模式，自己實驗的話可以參考這篇文檔。

Mode 0(balance-rr) Round-robin策略，這個模式具備負載均衡和容錯能力

Mode 1(active-backup) 主備策略，在綁定中只有一個網(wǎng)卡被激活，其他處于備份狀態(tài)

Mode 2(balance-xor) XOR策略，通過源MAC地址與目的MAC地址做異或操作選擇slave網(wǎng)卡

Mode 3 (broadcast) 廣播，在所有的網(wǎng)卡上傳送所有的報文

Mode 4 (802.3ad) IEEE 802.3ad動態(tài)鏈路聚合。創(chuàng)建共享相同的速率和雙工模式的聚合組

Mode 5 (balance-tlb) Adaptive transmit loadbalancing

Mode 6 (balance-alb) Adaptive loadbalancing

2、網(wǎng)卡多隊列及中斷綁定

隨著網(wǎng)絡的帶寬的不斷提升，單核CPU已經(jīng)不能滿足網(wǎng)卡的需求，這時通過多隊列網(wǎng)卡驅(qū)動的支持，可以將每個隊列通過中斷綁定到不同的CPU核上，充分利用多核提升數(shù)據(jù)包的處理能力。

首先查看網(wǎng)卡是否支持多隊列，使用lspci-vvv命令，找到Ethernetcontroller項：

如果有MSI-X， Enable+ 并且Count > 1，則該網(wǎng)卡是多隊列網(wǎng)卡。

然后查看是否打開了網(wǎng)卡多隊列。使用命令cat/proc/interrupts，如果看到eth0-TxRx-0表明多隊列支持已經(jīng)打開：

最后確認每個隊列是否綁定到不同的CPU。cat/proc/interrupts查詢到每個隊列的中斷號，對應的文件/proc/irq/${IRQ_NUM}/smp_affinity為中斷號IRQ_NUM綁定的CPU核的情況。以十六進制表示，每一位代表一個CPU核：

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

如果綁定的不均衡，可以手工設置，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層之間，是一個典型的FIFO（先進先出）環(huán)形隊列。RingBuffer沒有包含數(shù)據(jù)本身，而是包含了指向sk_buff（socketkernel buffers）的描述符?？梢允褂胑thtool-g eth0查看當前RingBuffer的設置：

上面的例子接收隊列為4096，傳輸隊列為256?？梢酝ㄟ^ifconfig觀察接收和傳輸隊列的運行狀況：

RXerrors：收包總的錯誤數(shù)

RX dropped:表示數(shù)據(jù)包已經(jīng)進入了RingBuffer，但是由于內(nèi)存不夠等系統(tǒng)原因，導致在拷貝到內(nèi)存的過程中被丟棄。

RX overruns:overruns意味著數(shù)據(jù)包沒到RingBuffer就被網(wǎng)卡物理層給丟棄了，而CPU無法及時的處理中斷是造成RingBuffer滿的原因之一，例如中斷分配的不均勻。當dropped數(shù)量持續(xù)增加，建議增大RingBuffer，使用ethtool-G進行設置。

4、InputPacket Queue(數(shù)據(jù)包接收隊列)

當接收數(shù)據(jù)包的速率大于內(nèi)核TCP處理包的速率，數(shù)據(jù)包將會緩沖在TCP層之前的隊列中。接收隊列的長度由參數(shù) net.core.netdev_max_backlog設置。

5、recvBuffer

recv buffer是調(diào)節(jié)TCP性能的關(guān)鍵參數(shù)。BDP(Bandwidth-delayproduct，帶寬延遲積) 是網(wǎng)絡的帶寬和與RTT(roundtrip time)的乘積，BDP的含義是任意時刻處于在途未確認的最大數(shù)據(jù)量。RTT使用ping命令可以很容易的得到。為了達到最大的吞吐量，recvBuffer的設置應該大于BDP，即recvBuffer >= bandwidth * RTT。假設帶寬是100Mbps，RTT是100ms，那么BDP的計算如下：

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

Linux在2.6.17以后增加了recvBuffer自動調(diào)節(jié)機制，recvbuffer的實際大小會自動在最小值和最大值之間浮動，以期找到性能和資源的平衡點，因此大多數(shù)情況下不建議將recvbuffer手工設置成固定值。

當net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf設置為1時，自動調(diào)節(jié)機制生效，每個TCP連接的recvBuffer由下面的3元數(shù)組指定：

net.ipv4.tcp_rmem =

最初recvbuffer被設置為，同時這個缺省值會覆蓋net.core.rmem_default的設置。隨后recvbuffer根據(jù)實際情況在最大值和最小值之間動態(tài)調(diào)節(jié)。在緩沖的動態(tài)調(diào)優(yōu)機制開啟的情況下，我們將net.ipv4.tcp_rmem的最大值設置為BDP。

當net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf被設置為0，或者設置了socket選項SO_RCVBUF，緩沖的動態(tài)調(diào)節(jié)機制被關(guān)閉。recvbuffer的缺省值由net.core.rmem_default設置，但如果設置了net.ipv4.tcp_rmem，缺省值則被覆蓋?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)調(diào)用setsockopt()設置recvbuffer的最大值為net.core.rmem_max。在緩沖動態(tài)調(diào)節(jié)機制關(guān)閉的情況下，建議把緩沖的缺省值設置為BDP。

注意這里還有一個細節(jié)，緩沖除了保存接收的數(shù)據(jù)本身，還需要一部分空間保存socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等額外信息。因此上面討論的recvbuffer最佳值僅僅等于BDP是不夠的，還需要考慮保存socket等額外信息的開銷。Linux根據(jù)參數(shù) net.ipv4.tcp_adv_win_scale計算額外開銷的大?。?/p>

如果 net.ipv4.tcp_adv_win_scale的值為1，則二分之一的緩沖空間用來做額外開銷，如果為2的話，則四分之一緩沖空間用來做額外開銷。因此recvbuffer的最佳值應該設置為：

三、數(shù)據(jù)包的發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)包經(jīng)過的路徑：

和接收數(shù)據(jù)的路徑相反，數(shù)據(jù)包的發(fā)送從上往下也經(jīng)過了三層：用戶態(tài)空間的應用、系統(tǒng)內(nèi)核空間、最后到網(wǎng)卡驅(qū)動。應用先將數(shù)據(jù)寫入TCP sendbuffer，TCP層將sendbuffer中的數(shù)據(jù)構(gòu)建成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)交給IP層。IP層會將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包放入隊列QDisc(queueingdiscipline)。數(shù)據(jù)包成功放入QDisc后，指向數(shù)據(jù)包的描述符sk_buff被放入RingBuffer輸出隊列，隨后網(wǎng)卡驅(qū)動調(diào)用DMAengine將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡鏈路上。

同樣我們逐層來梳理隊列緩沖有關(guān)的參數(shù)。

1、sendBuffer

同recvBuffer類似，和sendBuffer有關(guān)的參數(shù)如下：net.ipv4.tcp_wmem = net.core.wmem_defaultnet.core.wmem_max 發(fā)送端緩沖的自動調(diào)節(jié)機制很早就已經(jīng)實現(xiàn)，并且是無條件開啟，沒有參數(shù)去設置。如果指定了tcp_wmem，則net.core.wmem_default被tcp_wmem的覆蓋。sendBuffer在tcp_wmem的最小值和最大值之間自動調(diào)節(jié)。如果調(diào)用setsockopt()設置了socket選項SO_SNDBUF，將關(guān)閉發(fā)送端緩沖的自動調(diào)節(jié)機制，tcp_wmem將被忽略，SO_SNDBUF的最大值由net.core.wmem_max限制。

2、QDisc

QDisc（queueing discipline ）位于IP層和網(wǎng)卡的ringbuffer之間。我們已經(jīng)知道，ringbuffer是一個簡單的FIFO隊列，這種設計使網(wǎng)卡的驅(qū)動層保持簡單和快速。而QDisc實現(xiàn)了流量管理的高級功能，包括流量分類，優(yōu)先級和流量整形（rate-shaping）?？梢允褂胻c命令配置QDisc。

QDisc的隊列長度由txqueuelen設置，和接收數(shù)據(jù)包的隊列長度由內(nèi)核參數(shù) net.core.netdev_max_backlog控制所不同，txqueuelen是和網(wǎng)卡關(guān)聯(lián)，可以用ifconfig命令查看當前的大?。?/p>

使用ifconfig調(diào)整txqueuelen的大?。?/p>

ifconfig eth0 txqueuelen 2000

3、RingBuffer

和數(shù)據(jù)包的接收一樣，發(fā)送數(shù)據(jù)包也要經(jīng)過RingBuffer，使用ethtool-g eth0查看：

其中TX項是RingBuffer的傳輸隊列，也就是發(fā)送隊列的長度。設置也是使用命令ethtool-G。

4、TCPSegmentation和Checksum Offloading

操作系統(tǒng)可以把一些TCP/IP的功能轉(zhuǎn)交給網(wǎng)卡去完成，特別是Segmentation(分片)和checksum的計算，這樣可以節(jié)省CPU資源，并且由硬件代替OS執(zhí)行這些操作會帶來性能的提升。一般以太網(wǎng)的MTU（MaximumTransmission Unit）為1500 bytes，假設應用要發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小為7300bytes，MTU1500字節(jié)－ IP頭部20字節(jié) －TCP頭部20字節(jié)＝有效負載為1460字節(jié)，因此7300字節(jié)需要拆分成5個segment：

Segmentation(分片)操作可以由操作系統(tǒng)移交給網(wǎng)卡完成，雖然最終線路上仍然是傳輸5個包，但這樣節(jié)省了CPU資源并帶來性能的提升：

可以使用ethtool-k eth0查看網(wǎng)卡當前的offloading情況：

上面這個例子checksum和tcpsegmentation的offloading都是打開的。如果想設置網(wǎng)卡的offloading開關(guān)，可以使用ethtool-K(注意K是大寫)命令，例如下面的命令關(guān)閉了tcp segmentation offload：sudo ethtool -K eth0 tso off

5、網(wǎng)卡多隊列和網(wǎng)卡Bonding模式

在數(shù)據(jù)包的接收過程中已經(jīng)介紹過了。

至此，終于梳理完畢。

　　審核編輯：湯梓紅