网络性能优化的目标是什么?Linux网络协议栈的基准性能

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查看758 | 回复0 | 2022-12-11 02:57:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
文章目录确定优化目标

网络性能优化的目标是什么?换句话说,观察到的网络性能指标,要达到多少才合适呢?

实际上,虽然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),但具体到不同应用中,每个指标的优化标准可能会不同,优先级顺序也大相径庭。

NAT 网关通常需要达到或接近线性转发,也就是说, PPS 是最主要的性能目标。

再如,对于数据库、缓存等系统,快速完成网络收发,即低延迟,是主要的性能目标。

对于我们经常访问的 Web 服务来说,则需要同时兼顾吞吐量和延迟。

所以,为了更客观合理地评估优化效果,首先应该明确优化的标准,即要对系统和应用程序进行基准测试,得到网络协议栈各层的基准性能。

Linux 网络协议栈,是我们需要掌握的核心原理。它是基于 TCP/IP 协议族的分层结构

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在进行基准测试时,可以按照协议栈的每一层来测试。由于底层是其上方各层的基础,底层性能也就决定了高层性能。

首先是网络接口层和网络层,它们主要负责网络包的封装、寻址、路由,以及发送和接收。每秒可处理的网络包数 PPS,就是它们最重要的性能指标(特别是在小包的情况下)。你可以用内核自带的发包工具 pktgen ,来测试 PPS 的性能。

再向上到传输层的 TCP 和 UDP,它们主要负责网络传输。对它们而言,吞吐量(BPS)、连接数以及延迟,就是最重要的性能指标。你可以用 iperf 或 netperf ,来测试传输层的性能。

不过要注意,网络包的大小,会直接影响这些指标的值。所以,通常,你需要测试一系列不同大小网络包的性能。

最后,再往上到了应用层,最需要关注的是吞吐量(BPS)、每秒请求数以及延迟等指标。你可以用 wrk、ab 等工具,来测试应用程序的性能。

网络性能工具

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应用程序应用程序,通常通过套接字接口进行网络操作。由于网络收发通常比较耗时,所以应用程序的优化,主要就是对网络 I/O 和进程自身的工作模型的优化。

从网络 I/O 的角度来说,主要有下面两种优化思路。

第一种是最常用的 I/O 多路复用技术 epoll,主要用来取代 select 和 poll。这其实是解决 C10K 问题的关键,也是目前很多网络应用默认使用的机制。

第二种是使用异步 I/O(Asynchronous I/O,AIO)。AIO 允许应用程序同时发起很多 I/O 操作,而不用等待这些操作完成。等到 I/O 完成后,系统会用事件通知的方式,告诉应用程序结果。不过,AIO 的使用比较复杂,你需要小心处理很多边缘情况。

从进程的工作模型来说,也有两种不同的模型用来优化。

第一种,主进程 + 多个 worker 子进程。其中,主进程负责管理网络连接,而子进程负责实际的业务处理。这也是最常用的一种模型。

第二种,监听到相同端口的多进程模型。在这种模型下,所有进程都会监听相同接口,并且开启 SO_REUSEPORT 选项,由内核负责,把请求负载均衡到这些监听进程中去。

除了网络 I/O 和进程的工作模型外,应用层的网络协议优化,也是至关重要的一点。常见的几种优化方法。

使用长连接取代短连接,可以显著降低 TCP 建立连接的成本。在每秒请求次数较多时,这样做的效果非常明显。

使用内存等方式,来缓存不常变化的数据,可以降低网络 I/O 次数,同时加快应用程序的响应速度。

使用 Protocol Buffer 等序列化的方式,压缩网络 I/O 的数据量,可以提高应用程序的吞吐。

使用 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

套接字可以屏蔽掉 Linux 内核中不同协议的差异,为应用程序提供统一的访问接口。每个套接字,都有一个读写缓冲区。

读缓冲区,缓存了远端发过来的数据。如果读缓冲区已满,就不能再接收新的数据。

写缓冲区,缓存了要发出去的数据。如果写缓冲区已满,应用程序的写操作就会被阻塞。

所以,为了提高网络的吞吐量,通常需要调整这些缓冲区的大小。比如:

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。

有几点需要注意。

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。

套接字接口还提供了一些配置选项,用来修改网络连接的行为:

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

传输层最重要的是 TCP 和 UDP 协议,所以这儿的优化,其实主要就是对这两种协议的优化。

TCP 协议的优化

TCP 提供了面向连接的可靠传输服务。要优化 TCP,我们首先要掌握 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(如下图所示)等。

UDP的优化

UDP 提供了面向数据报的网络协议,它不需要网络连接,也不提供可靠性保障。所以,UDP 优化,相对于 TCP 来说,要简单得多。这里总结了常见的几种优化方案。

跟套接字部分提到的一样,增大套接字缓冲区大小以及 UDP 缓冲区范围;

跟 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。

第一种,从路由和转发的角度出发,你可以调整下面的内核选项。

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。

第二种,从分片的角度出发,最主要的是调整 MTU(Maximum Transmission Unit)的大小。

第三种,从 ICMP 的角度出发,为了避免 ICMP 主机探测、ICMP Flood 等各种网络问题,你可以通过内核选项,来限制 ICMP 的行为。

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

链路层负责网络包在物理网络中的传输,比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。自然,链路层的优化,也是围绕这些基本功能进行的。接下来,从不同的几个方面分别来看。

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。这通常可以采用下面两种方法。

可以为网卡硬中断配置 CPU 亲和性(smp_affinity),或者开启 irqbalance 服务。

可以开启 RPS(Receive Packet Steering)和 RFS(Receive Flow Steering),将应用程序和软中断的处理,调度到相同 CPU 上,这样就可以增加 CPU 缓存命中率,减少网络延迟。

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。

TSO(TCP Segmentation Offload)和 UFO(UDP Fragmentation Offload):在 TCP/UDP 协议中直接发送大包;而 TCP 包的分段(按照 MSS 分段)和 UDP 的分片(按照 MTU 分片)功能,由网卡来完成 。

GSO(Generic Segmentation Offload):在网卡不支持 TSO/UFO 时,将 TCP/UDP 包的分段,延迟到进入网卡前再执行。这样,不仅可以减少 CPU 的消耗,还可以在发生丢包时只重传分段后的包。

LRO(Large Receive Offload):在接收 TCP 分段包时,由网卡将其组装合并后,再交给上层网络处理。不过要注意,在需要 IP 转发的情况下,不能开启 LRO,因为如果多个包的头部信息不一致,LRO 合并会导致网络包的校验错误。

GRO(Generic Receive Offload):GRO 修复了 LRO 的缺陷,并且更为通用,同时支持 TCP 和 UDP。

RSS(Receive Side Scaling):也称为多队列接收,它基于硬件的多个接收队列,来分配网络接收进程,这样可以让多个 CPU 来处理接收到的网络包。

VXLAN 卸载:也就是让网卡来完成 VXLAN 的组包功能。

最后,对于网络接口本身,也有很多方法,可以优化网络的吞吐量。

可以开启网络接口的多队列功能。这样,每个队列就可以用不同的中断号,调度到不同 CPU 上执行,从而提升网络的吞吐量。

可以增大网络接口的缓冲区大小,以及队列长度等,提升网络传输的吞吐量(注意,这可能导致延迟增大)。

可以使用 Traffic Control 工具,为不同网络流量配置 QoS。

小结

在优化网络的性能时,我们可以结合 Linux 系统的网络协议栈和网络收发流程,从应用程序、套接字、传输层、网络层再到链路层等,对每个层次进行逐层优化。

实际上,我们分析和定位网络瓶颈,也是基于这些网络层进行的。而定位出网络性能瓶颈后,我们就可以根据瓶颈所在的协议层,进行优化。具体而言:

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。

如果这些方法依然不能满足你的要求,那就可以考虑,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。
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