Linux性能学习第六周-网络性能优化

linux 性能优化学习第六周总结，本周还是 网络性能优化

本周读完了最后一部分网络性能优化章节，跟着作者整理的脉络，在整体上对网络性能该如何排查有了不错的理解。

总体而言：

• 在应用程序中，主要是优化 I/O 模型、工作模型以及应用层的网络协议；
• 在套接字层中，主要是优化套接字的缓冲区大小；
• 在传输层中，主要是优化 TCP 和 UDP 协议；
• 在网络层中，主要是优化路由、转发、分片以及 ICMP 协议；
• 最后，在链路层中，主要是优化网络包的收发、网络功能卸载以及网卡选项。
• 使用 DPDK 等用户态方式，绕过内核协议栈；或者，使用 XDP，在网络包进入内核协议栈前进行处理。

确定优化目标

网络性能优化的整体目标是：降低网络延迟（如 RTT）和提高吞吐量（如BPS 和 PPS），而针对不同应用场景侧重点不同。

• NAT网关，主要针对 PPS 作为性能目标
• 对于数据库，缓存，主要是快速完成网络收发，降低延迟
• Web 服务，需要同时兼顾吞吐量和延迟

基准测试

根据网络协议栈，可以对每一层进行测试

可以从下到上先进行测试：

• 网络层主要负责网络包的封装、寻址、路由，以及发送和接收，主要关心每秒可处理的网络包数 PPS，可以用内核自带的发包工具 pktgen ，来测试 PPS 的性能。
• 传输层TCP，UDP，主要负责网络传输。主要关心吞吐量（BPS）、连接数以及延迟，可以用 iperf 或 netperf ，来测试传输层的性能。注意不同网络包大小对性能的影响
• 应用层，最需要关注的是吞吐量（BPS）、每秒请求数以及延迟等指标。可以用 wrk、ab 等工具，来测试应用程序的性能。可以录制实际的请求数据，进行测试回放

网络性能优化

根据网络协议栈和网络收发流程，逐步优化

应用程序

IO模型优化

• 使用 I/O 多路复用技术epoll，解决 C10K 问题
• 或者使用异步 I/O（Asynchronous I/O，AIO），不过使用比较复杂，需要小心处理很多情况

进程模型优化

• 主进程+多子进程。主进程负责管理网络连接，子进程负责业务
• 多进程。所有进程监听相同端口，开启SO_REUSEPORT选项，由内核来负载均衡

网络协议优化

• 使用长连接取代短连接
• 使用内存缓存不常变化的数据
• 使用 Proto Buffer等序列化方式，压缩网络 IO的数据量，来提高吞吐
• DNS 缓存、预取、HTTPDNS 等方式，减少 DNS 解析的延迟，也可以提升网络 I/O 的整体速度。

套接字

• 增大每个套接字的缓冲区大小 net.core.optmem_max；
• 增大套接字接收缓冲区大小 net.core.rmem_max 和发送缓冲区大小 net.core.wmem_max；
• 增大 TCP 接收缓冲区大小 net.ipv4.tcp_rmem 和发送缓冲区大小 net.ipv4.tcp_wmem。

参考设置

• tcp_rmem 和 tcp_wmem 的三个数值分别是 min，default，max，系统会根据这些设置，自动调整 TCP 接收 / 发送缓冲区的大小。
• udp_mem 的三个数值分别是 min，pressure，max，系统会根据这些设置，自动调整 UDP 发送缓冲区的大小。

其他配置选项：

• 为 TCP 连接设置 TCP_NODELAY 后，就可以禁用 Nagle 算法；
• 为 TCP 连接开启 TCP_CORK 后，可以让小包聚合成大包后再发送（注意会阻塞小包的发送）；
• 使用 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF ，可以分别调整套接字发送缓冲区和接收缓冲区的大小。

传输层

TCP

首先要掌握 TCP 协议的基本原理，比如流量控制、慢启动、拥塞避免、延迟确认以及状态流图。

请求数比较大的时候，针对大量TIME_WAIT连接

• 增大处于 TIME_WAIT 状态的连接数量 net.ipv4.tcp_max_tw_buckets ，并增大连接跟踪表的大小 net.netfilter.nf_conntrack_max。
• 减小 net.ipv4.tcp_fin_timeout 和 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait ，让系统尽快释放它们所占用的资源。
• 开启端口复用 net.ipv4.tcp_tw_reuse。这样，被 TIME_WAIT 状态占用的端口，还能用到新建的连接中。
• 增大本地端口的范围 net.ipv4.ip_local_port_range 。这样就可以支持更多连接，提高整体的并发能力。
• 增加最大文件描述符的数量。你可以使用 fs.nr_open 和 fs.file-max ，分别增大进程和系统的最大文件描述符数；或在应用程序的 systemd 配置文件中，配置 LimitNOFILE ，设置应用程序的最大文件描述符数。

减缓 SYN FLOOD 攻击

• 增大 TCP 半连接的最大数量 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog ，或者开启 TCP SYN Cookies net.ipv4.tcp_syncookies ，来绕开半连接数量限制的问题（注意，这两个选项不可同时使用）。
• 减少 SYN_RECV 状态的连接重传 SYN+ACK 包的次数 net.ipv4.tcp_synack_retries。

长连接场景：

• 缩短最后一次数据包到 Keepalive 探测包的间隔时间 net.ipv4.tcp_keepalive_time；
• 缩短发送 Keepalive 探测包的间隔时间 net.ipv4.tcp_keepalive_intvl；
• 减少 Keepalive 探测失败后，一直到通知应用程序前的重试次数 net.ipv4.tcp_keepalive_probes。

推荐设置

UDP

• 增大套接字缓冲区大小以及 UDP 缓冲区范围；
• 跟前面 TCP 部分提到的一样，增大本地端口号的范围；
• 根据 MTU 大小，调整 UDP 数据包的大小，减少或者避免分片的发生。

网络层

网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，包括 IP、ICMP 等常见协议。在网络层，最主要的优化，其实就是对路由、 IP 分片以及 ICMP 等进行调优。

路由和转发场景

• 在需要转发的服务器中，比如用作 NAT 网关的服务器或者使用 Docker 容器时，开启 IP 转发，即设置 net.ipv4.ip_forward = 1。
• 调整数据包的生存周期 TTL，比如设置 net.ipv4.ip_default_ttl = 64。注意，增大该值会降低系统性能。
• 开启数据包的反向地址校验，比如设置 net.ipv4.conf.eth0.rp_filter = 1。这样可以防止 IP 欺骗，并减少伪造 IP 带来的 DDoS 问题。

分片角度

• 通常，MTU 的大小应该根据以太网的标准来设置。以太网标准规定，一个网络帧最大为 1518B，那么去掉以太网头部的 18B 后，剩余的 1500 就是以太网 MTU 的大小。

限制 ICMP

• 比如，你可以禁止 ICMP 协议，即设置 net.ipv4.icmp_echo_ignore_all = 1。这样，外部主机就无法通过 ICMP 来探测主机。
• 或者，你还可以禁止广播 ICMP，即设置 net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts = 1。

链路层

由于网卡收包后调用的中断处理程序（特别是软中断），需要消耗大量的 CPU。所以，将这些中断处理程序调度到不同的 CPU 上执行，就可以显著提高网络吞吐量。

另外，现在的网卡都有很丰富的功能，原来在内核中通过软件处理的功能，可以卸载到网卡中，通过硬件来执行。

对于网络接口本身，也有很多方法，可以优化网络的吞吐量。

C10M极限场景

• 使用 DPDK 技术，跳过内核协议栈，直接由用户态进程用轮询的方式，来处理网络请求。同时，再结合大页、CPU 绑定、内存对齐、流水线并发等多种机制，优化网络包的处理效率。
• 使用内核自带的 XDP 技术，在网络包进入内核协议栈前，就对其进行处理，这样也可以实现很好的性能。