优化网络子系统

在系统安装之初和感觉到网络子系统瓶颈的时候，我们应该对其进行优化。子系统间可能导致相互的影响：例如，网络问题可以影响到CPU利用率，尤其当包大小特别小的时候；当TCP连接数太多的时候，内存使用率会变高。

流量行为

在网络性能调优中，最重要的是尽可能准确的理解网络流量模式。性能很大程度上取决于流量特征。

例如， 下面的两张图是使用netperf收集的，说明了流量模式对性能的影响。两张图唯一的区别是流量类型，第一张图是TCP_RR的结果，第二张图是TCP_CRR类型的流量。性能差别主要是由TCP session连接和关闭操作带来的损耗，以及Netfilter连接跟踪导致的。

netperf的tcprr和tcpcrr压测结果

如图所示，在相同的配置的情况下，即使细微的流量行为差别也能导致巨大的性能差别。请熟悉下面的网络流量行为和要求：

  • 事务吞吐需求（峰值和平均值）

  • 数据传输的吞吐需求（峰值和平均值）

  • 延时需求

  • 传输数据大小

  • 接收和发送的比例

  • 连接建立和关闭的频率，还有连接并发数

  • 协议（TCP，UDP，应用协议，比如HTTP，SMTP，LDAP等等）

使用netstat，tcpdump，ethereal等工具可以获得准确的行为。

速度和双工

增强网络性能的最简单办法是检查网卡的实际速度，找到网络组件（比如交换机或hub）和网卡之间的问题。错误的配置可以导致很大的性能问题，如下图：

使用ethtool检查实际速度和双工设置

从下图可以看出来，在网速被错误协商后，小数据传输比大数据传输受到的影响小。大于1KB的数据传输受到极大影响（吞吐减少50~90%）。一定要确保速度双工配置正确！

自动协商失败导致性能降低

许多网络设备在自动协商中错误的默认为100Mb 半双工模式，使用ethtool检查网络真实的速度和双工设置。

许多网络专家认为，最好的办法是在网卡和交换机或者hub上同时指定静态速度。只要设备驱动支持ethtool命令，可以使用ethtool修改配置。而有些设备可能要修改/etc/modules.conf的内容。

MTU大小

在Gb网络中，最大传输单元（maximum transmission units，MTU）越大，网络性能越好。问题是，太大的MTU可能不受大多数网络的支持，大量的网卡不支持大MTU。如果要在Gb速度上传输大量数据（例如HPC环境），增加默认MTU可以导致明显的性能提升。使用/sbin/ifconfig修改MTU大小。

使用ifconfig修改MUT

要使大的MTU值正常生效，这个值必须同时在网卡和网络组件上受到支持。

增加网络缓冲

Linux网络栈在分配内存资源给网络缓冲时十分谨慎！在服务器所连接的现代高速网络中，如下的参数应该增大，使得系统能够处理更多网络包。

  • TCP的初始内存大小是根据系统内存自动计算出来的；可以在如下文件中找到这个值：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem
  • 调高默认以及最大接收Socket的内存值：
/proc/sys/net/core/rmem_default
/proc/sys/net/core/rmem_max
  • 调高默认和最大发送Socket的内存值：
/proc/sys/net/core/wmem_default
/proc/sys/net/core/wmem_max
  • 调高最大缓存值：
/proc/sys/net/core/optmem_max

调整窗口大小

可以通过上面的网络缓冲值参数来优化最大窗口大小。可以通过BDP（时延带宽积，bandwidth delay product）来获得理论上的最优窗口大小。BDP是导线中的传输的数据量。BDP可以使用如下的公式计算得出：

BDP = Bandwidth (bytes/sec) * Delay (or round trip time) (sec)

要使网络管道塞满，达到最大利用率，网络节点必须有和BDP相同大小的缓冲区。另一方面，发送方还必须等待接收方的确认，才能继续发送数据。

例如，在1ms时延的GB级以太网中，BDP等于：

125Mbytes/sec (1Gbit/sec) * 1msec = 125Kbytes

在大多数发行版中，rmem_max和wmem_max的默认值都是128KB，对一般用途的低时延网络环境已经足够。然而，如果时延很大，这个默认值可能就太小了！

再看看另外一个例子，假如一个samba文件服务器要支持来自不同地区的16个同时在线的文件传输会话，在默认配置下，平均每个会话的缓冲大小就降低为8KB。如果数据传输量很大，这个值就会显得很低了！

  • 把所有协议的系统最大发送缓冲（wmem）和接收缓冲（rmem）设置为8MB。
sysctl -w net.core.wmem_max=8388608
sysctl -w net.core.rmem_max=838860

指定的这个内存值会在TCP socket创建的时候分配给每个TCP socket。

  • 此外，还得使用如下的命令设置发送和接收缓冲。分别指定最小、初始和最大值。
sysctl -w net.ipv4.tcp_rmem="4096 87380 8388608"
sysctl -w net.ipv4.tcp_wmem="4096 87380 8388608"

第3个值必须小于或等于wmem_max和rmem_max。在高速和高质量网络上，建议调大第一个值，这样，TCP窗口在一个较高的起点开始。

  • 调高/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem大小。这个值的含义分别是最小、压力和最大情况下分配的TCP缓冲。

可以使用tcpdump查看哪些值在socket缓冲优化中被修改了。如下图所示，把socket缓冲限制在较小的值，导致窗口变小，引起频繁的确认包，会使网络效率低下。相反，增加套接字缓冲会增加窗口大小。

小窗口的情况

大窗口的情况

socket缓冲大小

在服务器处理许多大文件并发传输的时候，小socket缓冲可能引起性能降低。如下图所示，在小socket缓冲的情况下，导致明显的性能下降。在rmem_max和wmem_max很小的情况下，即使对方拥有充足的socket缓冲可用，还是会影响可用缓冲大小。这使得窗口变小，成为大数据传输时候的瓶颈。下图中没有包含小数据（小于4KB）传输的情况，实际中，小数据传输不会受到明显的影响。

socket缓冲从4kB到132bytes的比较

额外的TCP/IP调整

还有很多其它增加或降低网络性能的配置。如下的参数可能会帮助提升网络性能。

优化IP和ICMP

如下的sysctl命令可以优化IP和ICMP：

  • 禁用如下的参数可以阻止骇客进行针对服务器IP的地址欺骗攻击。
sysctl -w net.ipv4.conf.eth0.accept_source_route=0
sysctl -w net.ipv4.conf.lo.accept_source_route=0
sysctl -w net.ipv4.conf.default.accept_source_route=0
sysctl -w net.ipv4.conf.all.accept_source_route=0
  • 如下的服务器配置用来忽略来自网关机器的重定向。重定向可能是攻击，所以我们值允许来自可信来源的重定向。
sysctl -w net.ipv4.conf.eth0.secure_redirects=1
sysctl -w net.ipv4.conf.lo.secure_redirects=1
sysctl -w net.ipv4.conf.default.secure_redirects=1
sysctl -w net.ipv4.conf.all.secure_redirects=1
  • 你可以设置网卡是否接收ICMP重定向。ICMP重定向是路由器向主机传达路由信息的一种机制。例如，当路由器从某个接口收到发往远程网络的数据时，发现源ip地址与下一跳属于同一网段，这是路由器会发送ICMP重定向报文。网关检查路由表获取下一跳地址，下一个网关把网络包发给目标网络。使用如下的命令静止重定向：
sysctl -w net.ipv4.conf.eth0.accept_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.lo.accept_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.default.accept_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.all.accept_redirects=0
  • 如果服务器不是网关，它就没必要发送重定向包，可以禁用如下的参数
sysctl -w net.ipv4.conf.eth0.send_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.lo.send_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.default.send_redirects=0
sysctl -w net.ipv4.conf.all.send_redirects=0
  • 配置服务器忽略广播ping和smurf攻击：
sysctl -w net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1
  • 忽略所有类型的icmp包和ping：
sysctl -w net.ipv4.icmp_echo_ignore_all=1
  • 有些路由器会发送错误的广播响应包，内核会对每一个包都会生成日志，这个响应包可以忽略：
sysctl -w net.ipv4.icmp_ignore_bogus_error_responses=1
  • 还应该设置ip碎片参数，尤其是NFS和Samba服务器来说。可以设置用来做IP碎片整理的最大和最小缓冲。当以bytes为单位设置ipfrag_high_thresh的值之后，分配处理器会丢掉报文，直到达到ipfrag_low_thresh的值。

当TCP包传输中发生错误时，就会产生碎片。有效的数据包会放在缓冲中，而错误的包会重传。

例如，设置可用内存范围为256M到384M，使用：

sysctl -w net.ipv4.ipfrag_low_thresh=262144
sysctl -w net.ipv4.ipfrag_high_thresh=393216

优化TCP

这里讨论通过调整参数，修改TCP的行为。

如下的命令可以用来调整服务器支持巨大的连接数。

  • 对于并发连接很高的服务器，TIME-WAIT套接字可以重复利用。这对web服务器很有用：
sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1

如果使用了上面的参数，还应该开启TIME-WAIT的套接字快速回收参数：

sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_recycle=1

下图显示了在启用这些参数之后，连接数明显降低了。这有益于提升服务器性能，因为每个TCP连接都需要维护缓存，存放每个远端服务器信息。在这个缓存中会存放往返时间，最大分片大小和拥塞窗口。

禁用和启用重用回收参数对比

  • tcp_fin_timeout是socket在服务器上关闭后，socket保持在FIN-WAIT-2状态的时间。

TCP连接以三次握手同步syn开始，以3次FIN结束，过程中都不会传递数据。通过修改tcp_fin_timeout值，定义何时FIN队列可以释放内存给新的连接，由此提升性能。因为死掉的socket有内存溢出的风险，这个值必须在仔细的观察之后才能修改：

sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30
  • 服务器可能会遇到大量的TCP连接打开着，却没有使用的问题。TCP有keepalive功能，探测这些连接，默认情况下，在7200秒（2小时）后释放。这个时间对服务器来说可能太长了，还可能导致超出内存量，降低服务器性能。

把这个值设置为1800秒（30分钟）：

sysctl -w net.ipv4.tcp_keepalive_time=1800
  • 当服务器负载很高，拥有很多坏的高时延客户端连接，会导致半开连接的增长。在web服务器中，这个现象很常见，尤其是在许多拨号用户的情况下。这些半开连接保存在backlog connections队列中。你应该该值最小为4096（默认是1024）。

即使服务器不会收到这类连接，也应该设置这个参数，他可以保护免受DoS（syn-flood）攻击。

sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=4096
  • TCP SYN cookies可以帮助保护服务器免受syn-flood攻击，无论是DoS（拒绝服务攻击，denial-of-service）还是DDoS（分布式拒绝服务攻击，distributed denial-of-service），都会对系统性能产生不利影响。建议只有在明确需要TCP SYN cookies的时候才开启。
sysctl -w net.ipv4.tcp_syncookies=1

注意，只有在内核编译了CONFIG_SYNCOOKIES选项的时候，上面的命令才是正确的

优化TCP选项

如下的TCP选项可以进一步优化Linux的TCP协议栈。

  • 选择性确认可以在相当大的成都上优化TCP流量。然而，SACK和DSACK可能对Gb网络产生不良影响。tcp_sack和tcp_dsack默认情况下是启用的，但是和优化TCP/IP性能向背，在高速网络上应该禁用这两个参数。
sysctl -w net.ipv4.tcp_sack=0
sysctl -w net.ipv4.tcp_dsack=0
  • 每个发往Linux网络栈的以太帧都会收到一个时间戳。这对于防火墙、Web服务器这类系统是很有用且必要的，但是后端服务器可能会从禁用TCP时间戳，减少负载中获益。可以使用如下的命令禁用TCP时间戳：
sysctl -w net.ipv4.tcp_timestamps=0
  • 我们已经知道缩放窗口可以增大传输窗口。然而，测试表明，窗口缩放对高网络负载的环境不合适。另外，某些网络设备不遵守RFC指导，可能导致窗口缩放故障。建议禁用窗口缩放，并且手动设置窗口大小。
sysctl -w net.ipv4.tcp_window_scaling=0

防火墙的影响

Netfilter提供TCP/IP连接跟踪和包过滤功能，在某些环境下，可能对性能产生很大影响。在连接数很高时，Netfilter的影响很明显。下图展示了测试不同连接情况下的结果，清楚表明了Netfilter的影响。

没防火墙的情况

在开启Netfilter之后，情况发生了明显的变化。

应用netfilter之后

然而，Netfilter提供包过滤功能，增强了网络安全性。这是一个安全和性能之间的权衡考虑。Netfilter对性能的影响取决于如下的因素：

  • 防火墙规则数量

  • 防火墙规则顺序

  • 防火墙规则复杂度

  • 连接跟踪级别（取决于协议）

  • Netfilter内核参数配置

卸载配置

如果网卡支持的话，有些网络操作可以卸载到网卡上。可以使用ethtool命令确认当前的卸载配置。

确认offload设置

修改配置命令的语法如下：

ethtool -K DEVNAME [ rx on|off ] [ tx on|off ] [ sg on|off ] [ tso on|off ] [ufo on|off ] [ gso on|off ]

修改offload配置示例

对offload能力的支持受因网卡设备、Linux发行版、内核版本已经平台差异而不同。如果你使用一个不支持的offload参数，可能会获得错误信息。

offloading

测试表明，网卡offloading会降低CPU利用率。下图展示了在大块数据传输中CPU利用率的提升。大数据包从校验码offloading中获得优势，因为校验码需要计算整个数据包，所以，数据增加，处理能力就被消耗掉。

offloading提升CPU利用率

下图，在offloading中也产生了明显的性能下降。在网卡上，对如此大量的包传输率做校验，对局域网卡处理器有很大压力。随着包大小的增加，每秒种处理的包数量降低（因为要花大量时间发送和接收所有数据），所以谨慎使用网卡做校验操作。

offloading降低吞吐

在网络应用为大帧请求数据生成请求的时候，LAN适配器很有效率。请求小块数据的一个应用需要LAN适配器处理器花费大量的时间处理每个数据传输自己的开销。这就是为什么大多数LAN适配器不能为所有帧大小维持全速。

增加包队列

在增加各种网络缓冲大小之后，建议增加未处理包的数量，那么，花更长的时间，内核才会丢弃包。可以通过修改/proc/sys/net/core/netdev_max_backlog来实现。

增加发送队列长度

把每个接口的txqueuelength参数值增加到1000至20000。这对数据均匀且量大的高速网络连接十分有用。可以使用ifconfig命令调整传输队列长度。

[root@linux ipv4]# ifconfig eth1 txqueuelen 2000

减少中断

除非使用NAPI，处理网络包的时候需要Linux内核处理大量的中断和上下文切换。对Intel e1000–based网卡来说，要确保网卡驱动编译了CFLAGS_EXTRA -DCONFIG_E1000_NAP 标志。Broadcom tg3模块的最新版本内建了NAPI支持。

如果你需要重新编译e1000驱动支持NAPI，你可以通过在你的系统做如下操作;

make CFLAGS_EXTRA -DCONFIG_E1000_NAPI

此外，在多处理器系统中，把网卡中断绑定到物理CPU可能带来额外的性能提升。为实现这个目标，首先要识别特定网卡的IRQ。可以通过ifconfig命令获得中断号。

识别中断号

获取中断号之后，你可以使用在/proc/irq/%{irq number}中mp_affinity参数把中断和CPU绑定在一起。如下图示范了如何把之前获取的eth1网卡的169号中断，绑定到系统的第二个处理器。

绑定中断到CPU

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