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Linux性能优化实战:Linux 性能优化答疑(五)(45)

时间:2019-09-20 15:53:28      阅读:24      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:接收数据   综合   bin   pack   你们   中断处理   

一、上节回顾

专栏更新至今,四大基础模块的最后一个模块——网络篇,我们就已经学完了。很开心你还没有掉队,仍然在积极学习思考和实践操作,热情地留言和互动。还有不少同学分享了
在实际生产环境中,碰到各种性能问题的分析思路和优化方法,这里也谢谢你们。

今天是性能优化答疑的第五期。照例,我从网络模块的留言中,摘出了一些典型问题,作为今天的答疑内容,集中回复。同样的,为了便于你学习理解,它们并不是严格按照文章
顺序排列的。

每个问题,我都附上了留言区提问的截屏。如果你需要回顾内容原文,可以扫描每个问题右下方的二维码查看。

二、网络收发过程中缓冲区的位置

1、问题:

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2、解答:

第一点,是网络收发过程中,收发队列和缓冲区位置的疑问。在 关于 Linux 网络,你必须要知道这些 中,我曾介绍过 Linux 网络的收发流程。这个流
程涉及到了多个队列和缓冲区,包括:

  • 网卡收发网络包时,通过 DMA 方式交互的环形缓冲区
  • 网卡中断处理程序为网络帧分配的,内核数据结构 sk_buff 缓冲区
  • 应用程序通过套接字接口,与网络协议栈交互时的套接字缓冲区

不过相应的,就会有两个问题。

首先,这些缓冲区的位置在哪儿?是在网卡硬件中,还是在内存中?这个问题其实仔细想一下,就很容易明白——这些缓冲区都处于内核管理的内存中。

其中,环形缓冲区,由于需要 DMA 与网卡交互,理应属于网卡设备驱动的范围。

sk_buff 缓冲区,是一个维护网络帧结构的双线链表,链表中的每一个元素都是一个网络帧(Packet)。虽然 TCP/IP 协议栈分了好几层,但上下不同层之间的传递,实际上只需
要操作这个数据结构中的指针,而无需进行数据复制。

套接字缓冲区,则允许应用程序,给每个套接字配置不同大小的接收或发送缓冲区。应用程序发送数据,实际上就是将数据写入缓冲区;而接收数据,其实就是从缓冲区中读取。
至于缓冲区中数据的进一步处理,则由传输层的 TCP 或 UDP 协议来完成。

其次,这些缓冲区,跟前面内存部分讲到的 Buffer 和 Cache 有什么关联吗?

这个问题其实也不难回答。我在内存模块曾提到过,内存中提到的 Buffer ,都跟块设备直接相关;而其他的都是 Cache。

实际上,sk_buff、套接字缓冲、连接跟踪等,都通过 slab 分配器来管理。你可以直接通过 /proc/slabinfo,来查看它们占用的内存大小。

三、问题 2:内核协议栈,是通过一个内核线程的方式来运行的吗

1、问题:

第二个问题,内核协议栈的运行,是按照一个内核线程的方式吗?在内核中,又是如何执行网络协议栈的呢?

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2、解答:

说到网络收发,在中断处理文章中我曾讲过,其中的软中断处理,就有专门的内核线程ksoftirqd。每个 CPU 都会绑定一个 ksoftirqd 内核线程,比如, 2 个 CPU 时,就会有
ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1 这两个内核线程。

不过要注意,并非所有网络功能,都在软中断内核线程中处理。内核中还有很多其他机制(比如硬中断、kworker、slab 等),这些机制一起协同工作,才能保证整个网络协议栈
的正常运行。

关于内核中网络协议栈的工作原理,以及如何动态跟踪内核的执行流程,专栏后续还有专门的文章来讲。如果对这部分感兴趣,你可以先用我们提到过的 perf、systemtap、bcc-
tools 等,试着来分析一下。

四、问题 3:最大连接数是不是受限于 65535 个端口

1、问题:

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2、解答:

我们知道,无论 TCP 还是 UDP,端口号都只占 16 位,也就说其最大值也只有 65535。是不是说,如果使用 TCP 协议,在单台机器、单个 IP 地址时,并发连接数最大也只有
那65535 呢?

对于这个问题,首先你要知道,Linux 协议栈,通过五元组来标志一个连接(即协议,源IP、源端口、目的 IP、目的端口)。

明白了这一点,这个问题其实就有了思路。我们应该分客户端和服务器端,这两种场景来分析。

对客户端来说,每次发起 TCP 连接请求时,都需要分配一个空闲的本地端口,去连接远端的服务器。由于这个本地端口是独占的,所以客户端最多只能发起 65535 个连接。

对服务器端来说,其通常监听在固定端口上(比如 80 端口),等待客户端的连接。根据五元组结构,我们知道,客户端的 IP 和端口都是可变的。如果不考虑 IP 地址分类以及资
源限制,服务器端的理论最大连接数,可以达到 2 的 48 次方(IP 为 32 位,端口号为 16位),远大于 65535。

所以,综合来看,客户端最大支持 65535 个连接,而服务器端可支持的连接数是海量的。当然,由于 Linux 协议栈本身的性能,以及各种物理和软件的资源限制等,这么大的连接
数,还是远远达不到的(实际上,C10M 就已经很难了)。

五、问题 4: “如何优化 NAT 性能”课后思考

1、问题:

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2、解答:

在 如何优化 NAT 性能 的最后, 我给你留了两个思考题。

MASQUERADE 是最常用的 SNAT 规则之一,通常用来为多个内网 IP 地址,提供共享的出口 IP。假设现在有一台 Linux 服务器,用了 MASQUERADE 方式,为内网所有 IP 提供
出口访问功能。那么,

  • 当多个内网 IP 地址的端口号相同时,MASQUERADE 还能正常工作吗?
  • 内网 IP 地址数量或者请求数比较多的时候,这种使用方式有没有什么潜在问题呢?

对于这两个思考题,我来也、ninuxer 等同学,都给出了不错的答案:

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先看第一点,当多个内网 IP 地址的端口号相同时,MASQUERADE 当然仍可以正常工作。不过,你肯定也听说过,配置 MASQUERADE 后,需要各个应用程序去手动配置修
改端口号。

实际上,MASQUERADE 通过 conntrack 机制,记录了每个连接的信息。而在刚才第三个问题 中,我提到过,标志一个连接需要五元组,只要这五元组不是同时相同,网络连接就
可以正常进行。

再看第二点,在内网 IP 地址和连接数比较小时,这种方式的问题不大。但在 IP 地址或并发连接数特别大的情况下,就可能碰到各种各样的资源限制。

比如,MASQUERADE 既然把内部多个 IP ,转换成了相同的外网 IP(即 SNAT),那么,为了确保发送出去的源端口不重复,原来网络包的源端口也可能会被重新分配。这样
的话,转换后的外网 IP 的端口号,就成了限制连接数的一个重要因素。

除此之外,连接跟踪、MASQUERADE 机器的网络带宽等,都是潜在的瓶颈,并且还存在单点的问题。这些情况,在我们实际使用中都需要特别注意。

今天主要回答这些问题,同时也欢迎你继续在留言区写下疑问和感想,我会持续不断地解答。希望借助每一次的答疑,可以和你一起,把文章知识内化为你的能力,我们不仅在
实战中演练,也要在交流中进步。

Linux性能优化实战:Linux 性能优化答疑(五)(45)

标签:接收数据   综合   bin   pack   你们   中断处理   

原文:https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11557051.html

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