44 套路篇:网络性能优化的几个思路(下)

你好,我是倪朋飞。

上一节,我们学了网络性能优化的几个思路,我先带你简单复习一下。

在优化网络的性能时,你可以结合 Linux 系统的网络协议栈和网络收发流程,然后从应用程序、套接字、传输层、网络层再到链路层等每个层次,进行逐层优化。上一期我们主要学习了应用程序和套接字的优化思路,比如:

今天,我们顺着 TCP/IP 网络模型,继续向下,看看如何从传输层、网络层以及链路层中,优化 Linux 网络性能。

网络性能优化

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。

我们首先来看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。

关于这些原理的细节,我就不再展开讲解了。如果你还没有完全掌握,建议你先学完这些基本原理后再来优化,而不是囫囵吞枣地乱抄乱试。

掌握这些原理后,你就可以在不破坏 TCP 正常工作的基础上,对它进行优化。下面,我分几类情况详细说明。

第一类,在请求数比较大的场景下,你可能会看到大量处于 TIME_WAIT 状态的连接,它们会占用大量内存和端口资源。这时,我们可以优化与 TIME_WAIT 状态相关的内核选项,比如采取下面几种措施。

第二类,为了缓解 SYN FLOOD 等,利用 TCP 协议特点进行攻击而引发的性能问题,你可以考虑优化与 SYN 状态相关的内核选项,比如采取下面几种措施。

第三类,在长连接的场景中,通常使用 Keepalive 来检测 TCP 连接的状态,以便对端连接断开后,可以自动回收。但是,系统默认的 Keepalive 探测间隔和重试次数,一般都无法满足应用程序的性能要求。所以,这时候你需要优化与 Keepalive 相关的内核选项,比如:

讲了这么多TCP 优化方法,我也把它们整理成了一个表格,方便你在需要时参考(数值仅供参考,具体配置还要结合你的实际场景来调整):

优化 TCP 性能时,你还要注意,如果同时使用不同优化方法,可能会产生冲突。

比如,就像网络请求延迟的案例中我们曾经分析过的,服务器端开启 Nagle 算法,而客户端开启延迟确认机制,就很容易导致网络延迟增大。

另外,在使用 NAT 的服务器上,如果开启 net.ipv4.tcp_tw_recycle ,就很容易导致各种连接失败。实际上,由于坑太多,这个选项在内核的 4.1 版本中已经删除了。

说完TCP,我们再来看 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。这里我也总结了常见的几种优化方案。

网络层

接下来,我们再来看网络层的优化。

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。

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。

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。

在使用 VXLAN、GRE 等叠加网络技术时,要注意,网络叠加会使原来的网络包变大,导致 MTU 也需要调整。

比如,就以 VXLAN 为例,它在原来报文的基础上,增加了 14B 的以太网头部、 8B 的 VXLAN 头部、8B 的 UDP 头部以及 20B 的 IP 头部。换句话说,每个包比原来增大了 50B。

所以,我们就需要把交换机、路由器等的 MTU,增大到 1550, 或者把 VXLAN 封包前(比如虚拟化环境中的虚拟网卡)的 MTU 减小为 1450。

另外,现在很多网络设备都支持巨帧,如果是这种环境,你还可以把 MTU 调大为 9000,以提高网络吞吐量。

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。

链路层

网络层的下面是链路层,所以最后,我们再来看链路层的优化方法。

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,我们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。

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。

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。

到这里,我就从应用程序、套接字、传输层、网络层,再到链路层,分别介绍了相应的网络性能优化方法。通过这些方法的优化后,网络性能就可以满足绝大部分场景了。

最后,别忘了一种极限场景。还记得我们学过的的 C10M 问题吗?

在单机并发 1000 万的场景中,对Linux 网络协议栈进行的各种优化策略,基本都没有太大效果。因为这种情况下,网络协议栈的冗长流程,其实才是最主要的性能负担。

这时,我们可以用两种方式来优化。

第一种,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。

第二种,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。

小结

这两节课,我们一起梳理了常见的 Linux 网络性能优化方法。

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:

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。

思考

在整个板块的学习中,我只列举了最常见的几个网络性能优化思路。除此之外,一定还有很多其他从应用程序、系统再到网络设备的优化方法。我想请你一起来聊聊,你还知道哪些优化方法吗?

欢迎在留言区跟我讨论,也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练,在交流中进步。