我们一起学习了文件系统和磁盘 I/O 的工作原理，以及相应的性能分析和优化方法。接下来，我们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。
由于网络处理的流程最复杂，跟我们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O 等都密不可分，所以，我把网络模块作为最后一个资源模块来讲解。
同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要。
网络模型
说到网络，我想你肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？
实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），简称为 OSI 网络模型。
- 应用层，负责为应用程序提供统一的接口
- 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式
- 会话层，负责维护计算机之间的通信连接
- 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包
- 网络层，负责数据的路由和转发
- 数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错
- 物理层，负责在物理网络中传输数据帧
但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。
TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，
- 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
- 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
- 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。
- 网络接口层，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。
为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系，我画了一张图，如下所示：
image.png
当然了，虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层）。
OSI七层和TCP/IP四层的关系
OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。
OSI先有模型，后有协议，先有标准，后进行实践；而TCP/IP则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的OSI模型。
OSI是一种理论下的模型，而TCP/IP已被广泛使用，成为网络互联事实上的标准。
Linux 网络栈
有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。
当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。
而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。
比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。
image.png
这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但我们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。
一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，你很容易能想到，Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：
image.png
我们从上到下来看这个网络栈，你可以发现，
- 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；
- 套接字的下面，就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；
- 最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。
这里我简单说一下网卡。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。
再结合前面提到的 Linux 网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂。所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。
Linux 网络收发流程
我们先来看网络包的接收流程。
当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。
接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。
接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。比如，
- 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如 IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
- 网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（比如 TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
- 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。
最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。
为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。
image.png
网络包的发送流程
了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。
首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。
由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。
分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。
最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。
小结
多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。
TCP/IP 模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
- 应用程序通过套接字接口发送数据包，先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理，最终再送到网卡发送出去。
- 而接收时，同样先经过网络栈从下到上的逐层处理，最终才会送到应用程序。
FAQ
我结合网络上查阅的资料和文章中的内容，总结了下网卡收发报文的过程，不知道是否正确：
- 内核分配一个主内存地址段（DMA缓冲区)，网卡设备可以在DMA缓冲区中读写数据(应该是网络包到了之后，才分配DMA缓冲区
) - 当来了一个网络包，网卡将网络包写入DMA缓冲区，写完后通知CPU产生硬中断
- 硬中断处理程序锁定当前DMA缓冲区，然后将网络包拷贝到另一块内存区，清空并解锁当前DMA缓冲区，然后通知软中断去处理网络包。
当发送数据包时，与上述相反。链路层将数据包封装完毕后，放入网卡的DMA缓冲区，并调用系统硬中断，通知网卡从缓冲区读取并发送数据。
了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
性能指标
实际上，我们通常用带宽、吞吐量、延时、PPS（Packet Per Second）等指标衡量网络的性能。
- 带宽，表示链路的最大传输速率，单位通常为 b/s （比特 / 秒）
- 吞吐量，表示单位时间内成功传输的数据量，单位通常为 b/s（比特 / 秒）或者 B/s（字节 / 秒）。吞吐量受带宽限制，而吞吐量 / 带宽，也就是该网络的使用率。
- 延时，表示从网络请求发出后，一直到收到远端响应，所需要的时间延迟。在不同场景中，这一指标可能会有不同含义。比如，它可以表示，建立连接需要的时间（比如 TCP 握手延时），或一个数据包往返所需的时间（比如 RTT）。
- PPS，是 Packet Per Second（包 / 秒）的缩写，表示以网络包为单位的传输速率。PPS 通常用来评估网络的转发能力，比如硬件交换机，通常可以达到线性转发（即 PPS 可以达到或者接近理论最大值）。而基于 Linux 服务器的转发，则容易受网络包大小的影响。
除了这些指标，网络的可用性（网络能否正常通信）、并发连接数（TCP 连接数量）、丢包率（丢包百分比）、重传率（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。
网络配置
分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。我个人更推荐使用 ip 工具，因为它提供了更丰富的功能和更易用的接口。
ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代。通常情况下它们会在发行版中默认安装。但如果你找不到 ifconfig 或者 ip 命令，可以安装这两个软件包。
以网络接口 eth0 为例，你可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：
$ ifconfig eth0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 10.240.0.30 netmask 255.240.0.0 broadcast 10.255.255.255
inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 78:0d:3a:07:cf:3a txqueuelen 1000 (Ethernet)
RX packets 40809142 bytes 9542369803 (9.5 GB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 32637401 bytes 4815573306 (4.8 GB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
$ ip -s addr show dev eth0
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 78:0d:3a:07:cf:3a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.240.0.30/12 brd 10.255.255.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
RX: bytes packets errors dropped overrun mcast
9542432350 40809397 0 0 0 193
TX: bytes packets errors dropped carrier collsns
4815625265 32637658 0 0 0 0
你可以看到，ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
第一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。
第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。
第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。其中：
- errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
- dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包；
- overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；
- carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；
- collisions 表示碰撞数据包数。
套接字信息
ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注。你可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。
我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：
# head -n 3 表示只显示前面3行
# -l 表示只显示监听套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
$ netstat -nlp | head -n 3
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name
tcp 0 0 127.0.0.53:53 0.0.0.0:* LISTEN 840/systemd-resolve
# -l 表示只显示监听套接字
# -t 表示只显示 TCP 套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
$ ss -ltnp | head -n 3
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
LISTEN 0 128 127.0.0.53%lo:53 0.0.0.0:* users:(("systemd-resolve",pid=840,fd=13))
LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* users:(("sshd",pid=1459,fd=3))
netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。
其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
当套接字处于连接状态（Established）时，
- Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。
- 而 Send-Q 表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。
当套接字处于监听状态（Listening）时，
- Recv-Q 表示全连接队列的长度。
- 而 Send-Q 表示全连接队列的最大长度。
所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。
与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。
协议栈统计信息
类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
$ netstat -s
...
Tcp:
3244906 active connection openings
23143 passive connection openings
115732 failed connection attempts
2964 connection resets received
1 connections established
13025010 segments received
17606946 segments sent out
44438 segments retransmitted
42 bad segments received
5315 resets sent
InCsumErrors: 42
...
$ ss -s
Total: 186 (kernel 1446)
TCP: 4 (estab 1, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 0
Transport Total IP IPv6
* 1446 - -
RAW 2 1 1
UDP 2 2 0
TCP 4 3 1
...
这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息。
比如，上面 netstat 的输出示例，就展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
网络吞吐和 PPS
接下来，我们再来看看，如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。在这里，我推荐使用我们的老朋友 sar，在前面的 CPU、内存和 I/O 模块中，我们已经多次用到它。
给 sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等。执行下面的命令，你就可以得到网络接口统计信息：
# 数字1表示每隔1秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
Linux 4.15.0-1035-azure (ubuntu) 01/06/19 _x86_64_ (2 CPU)
13:21:40 IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil
13:21:41 eth0 18.00 20.00 5.79 4.25 0.00 0.00 0.00 0.00
13:21:41 docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
13:21:41 lo 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
这儿输出的指标比较多，我来简单解释下它们的含义。
- rxpck/s 和 txpck/s 分别是接收和发送的 PPS，单位为包 / 秒
- rxkB/s 和 txkB/s 分别是接收和发送的吞吐量，单位是 KB/ 秒
- rxcmp/s 和 txcmp/s 分别是接收和发送的压缩数据包数，单位是包 / 秒
- %ifutil 是网络接口的使用率，即半双工模式下为 (rxkB/s+txkB/s)/Bandwidth，而全双工模式下为 max(rxkB/s, txkB/s)/Bandwidth
其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：
其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：
$ ethtool eth0 | grep Speed
Speed: 1000Mb/s
小结
我们通常使用带宽、吞吐量、延时等指标，来衡量网络的性能；相应的，你可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。
小狗同学问到： 老师，您好 ss —lntp 这个 当session处于listening中 rec-q 确定是 syn的backlog吗？
A: Recv-Q为全连接队列当前使用了多少。 中文资料里这个问题讲得最明白的文章：https://mp.weixin.qq.com/s/yH3PzGEFopbpA-jw4MythQ
看了源码发现，这个地方讲的有问题.关于ss输出中listen状态套接字的Recv-Q表示全连接队列当前使用了多少,也就是全连接队列的当前长度,而Send-Q表示全连接队列的最大长度
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