网络子系统

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    • 网络实现
    • TCP/IP
    • Offload
    • 绑定模式
      网络子系统是另一个影响性能的重要子系统！网络操作相关的组件有很多，例如交换机、路由器、网关、PC等等。尽管这些组件不受到Linux系统的控制，但是，他们对系统的整体性能有很大影响。请注意，你必须要和维护这个网络系统的人紧密联系。

现在，让我们主要集中注意力看看Linux是如何处理网络操作的。

网络实现

TCP/IP协议和OSI模型有类似的层级结构。Linux内核的网络实现采用了相似的办法。下图展示了Linux的TCP/IP栈的层级和TCP/IP通信概览。网络层级结构和网络通信过程概览和很多Unix操作系统一样，Linux为TCP/IP网络操作提供套接字（Socket）接口。套接字为用户应用程序提供接口。下面我们看看在网络数据传递过程中，基本的数据处理顺序。

  • 当应用程序要把数据发送给其它主机，应用程序首先创建数据。
  • 应用程序打开套接字，通过套接字接口写入数据。
  • 套接字缓冲（socket buffer）是用来处理传输数据的。套接字缓冲中有数据的参考，数据穿过该层，向下传递。
  • 在每一层，都要做相应的修改，例如修改头部、添加修改包头、校验值、路由、分片等等。当套接字缓冲向下层传递，数据本身不在层之间复制。因为在各层之间复制数据的效率太低，内核只修改套接字缓冲中的参考并且向下层传递，避免不必要的损耗。
  • 最后，数据通过网卡进入网线。
  • 以太帧（Ethernet frame）到达对方的网络接口。
  • 如果MAC地址和网卡MAC地址匹配的话，分片就接收到网卡缓冲中。
  • 网卡把数据包移动到套接字缓冲中，触发一次CPU的硬中断。
  • 然后CPU处理这个数据包，把他一层层向上传递，直到抵达一个应用程序（例如进程的TCP端口），比如Apache。
    套接字缓冲（Socket buffer）

正如前文所说，内核使用缓冲来发送和接收数据。下图展示了网络缓存的配置项。可以用/proc/sys/net下的文件调整。

/proc/sys/net/core/rmem_max

/proc/sys/net/core/rmem_default

/proc/sys/net/core/wmem_max

/proc/sys/net/core/wmem_default

/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem

/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem

/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem

这些参数可能会影响网络性能，我们将在“增加网卡缓冲”一章中仔细阐述。内核分配套接字缓冲

网络API（Network API，NAPI）

新的网络子系统API发生了一些变化。Linux网络栈的标准实现更关注可靠性和低延时，而不是低负载和高吞吐。这个特征虽然有利于创建防火墙，但是大多数企业应用，例如文件、打印和数据库都会比相同情况下的windows慢一些。

在一个典型的网络包处理中，如下图蓝色箭头所描绘的，网卡把数据包移动到操作系统内核的网络缓冲，并且触发一个CPU的硬中断。

这只是是进程处理网络包的一个简单视图，但是显示出了这种方法的一个不足。每次当一个MAC地址匹配的以太网帧到达接口，都会引起一次硬中断。无论如何，CPU必须停下正在处理的进程，然后处理这个硬中断，引发一次上下文切换和刷新处理器缓存。你可能觉得，如果只有很少的数据包，那这就不是什么大问题。但是，GB级别的以太网卡和现代的应用程序一秒钟能产生数千个包，导致数量庞大的中断和上下文切换。Linux网络栈

因此，Linux引入NAPI来对抗处理网络流量引发的相关开销。对于第一个包，NAPI就和传统的实现一样，触发一次中断。但是第一个包之后的包，接口进入了polling模式。只要还有数据包在网卡DMA 的环状缓冲（ring buffer）中，就不会引发新的中断，从而高效的减少了上下文切换和相关的消耗。在最后的包被处理，环状缓存被清空之后，网卡又回到了中断模式。NAPI的的另一个好处是通过生成能被多处理器支持的软中断，增强了多处理器的扩展。NAPI对大多数企业级种的多处理器操作系统都是巨大的改进，需要NAPI支持的驱动。还有极大的调优空间等着我们在后面探索。

Netfilter

Linux已经把防火墙作为内核的一部分。这一功能由Netfilter模块提供。你可以使用iptables命令来管理和配置Netfilter。

一般来说，Netfilter提供了如下的几个功能。

  • 数据包过滤：如果数据包匹配到一条规则，Netfilter将会接收、拒绝或者根据其它预定的操作来处理这个数据包。

  • 地址翻译：如果数据包匹配到一条规则，Netfilter会根据地址翻译的需求修改这个数据包。
    匹配过滤器可以定义如下的属性。

  • 网络接口（Network Interface）

  • IP地址，IP地址范围，子网（IP address，IP address range，subnet）
  • 协议（Protocol）
  • ICMP类型（ICMP Type）
  • 端口（Port）
  • TCP标志（TCP flag）

  • 状态（state）
    下图展示了数据包如何在Netfilter链中传递，以及顺序中每一个点定义的可用规则。netfilter包流如果匹配到规则，Netfilter将会采取相应的操作，这个操作被叫做目标（target），下面是一些可用的target。

  • ACCEPT：接受包，并且放行。

  • DROP：丢弃包
  • REJECT：丢弃包，并且回复一个消息，例如ICMP端口不可达、TCP重置源主机。
  • LOG：记录匹配的包
  • MASQUERADE, SNAT, DNAT, REDIRECT：地址翻译（NAT）
    连接追踪（Connection tracking）

为了满足更多的防火墙功能，Netfilter使用连接追踪机制，跟踪所有网络流量的状态。通过TCP连接状态和其它网络属性（IP地址，端口，协议，序列号，ack，ICMP类型，等），Netfilter把每一个包分类到下面四个状态。

  • NEW：尝试建立新连接的包
  • ESTABLISHED：已建立连接的包
  • RELATED：和前面的包相关的包
  • INVALID：因为异常或者非法的不知状态的包
    作为补充，Netfilter可以使用其它模块，通过分析协议特定属性和操作进行更详细的连接跟踪。例如，有FTP、NetBIOS、TFTP、IRC的连接跟踪模块。

TCP/IP

TCP/IP一直是默认的网络协议。Linux上的TCP/IP实现是十分契合TCP/IP标准的。为了更好的性能优化，应该熟悉基本的TCP/IP网络。

连接建立

在应用数据传输之前，服务器和客户端就应该建立起连接，连接建立的过程叫做TCP/IP三次握手。下图展示了基本的连接建立和中断过程。

  • 客户端发送SYN包（带有SYN标志设置的包）到服务器，请求连接
  • 服务器收到SYN请求包，回复一个SYN+ACK的包

  • 然后客户端发送ACK包给服务器完成连接建立。
    一旦建立起连接，应用数据就可以通过这个连接来传送，在所有的数据传输完成之后，连接关闭。

  • 客户端发送FIN包给服务器，开始终止连接的过程。

  • 服务器回复一个ACK的确认包回去，如果再没有数据要发送给客户端，服务器然后发送一个FIN包给客户端。
  • 客户端发送一个ACK包给服务器，完成连接终止。TCP三次握手在回话期间，连接状态会发生改变。下图展示了TCP/IP连接状态图。TCP连接状态图可以使用netstat命令来查看每个TCP/IP会话的连接状态。
    流量控制（Traffic control）

TCP/IP有一种机制，确保即使在拥挤时段和网络传输质量恶劣的情况下，高效数据传输！

TCP/IP滑动窗口（TCP/IP transfer window）

滑动窗口是Linux操作系统上TCP/IP实现的重要组成。基本上，TCP滑动窗口就是在发送数据之前，一台机器和对方机器确认能发送和接收的最大数据量的机制。窗口大小放在TCP头的滑动窗口字段中，由接受端传递给发送端。使用滑动窗口可以使数据传递更加高效，因为发送主机不必等待每一个数据包的确认。这使得网络更加有效利用，也提高了延迟确认效率。在连接中，TCP窗口从很小开始，随着收到每一个对端的确认而慢慢增长。想知道如何优化滑动窗口，请看“增加网络缓冲”一节。发送窗口和延迟ack另外，高速网络可以使用叫做window scaling的技术来增加滑动窗口的大小。将在“调优TCP选项”一章中分析这一技术的实现和效率。

重传

在连接建立、终止和数据传输过程中，由于各种原因（网络接口故障，路由器太慢，网络拥堵，网络实现的问题等等），会发生许多超时和数据重传。TCP/IP通过数据包排队和多次重传数据包来解决这个问题。

你可以配置参数来改变内核行为。你可能想在高丢包率的网络中，增加TCP SYN建立连接包的尝试次数。你也通过/proc/sys/net下的文件改变超时阀值。更多信息参考“调优TCP行为”一节。

Offload

如果你的网卡适配器支持硬件offload功能，内核可以卸载适一部分任务给适配器，从而减轻CPU的负载。

  • 校验值卸载（Checksum offload） TCP/IP/UDP校验值是协议头部的字段，由包数据计算获得，通过比较校验值可以保证数据包被正确的发送！
  • TCP分片卸载（TCP segmentation offload，TSO）如果数据比网卡支持的最大传输单元（maximum transmission unit，MTU）更大，这个数据就要分割成小于或等于MTU大小的包。适配器的这个选项由内核指定。

绑定模式

利用bonding驱动，Linux内核提供网卡聚合功能。这是一个设备无关的绑定驱动（也有些设备需要特定的驱动）。bonding驱动支持802.3链路聚合和一些负载均衡和容错实现。可以获得高级别的可靠性和性能提升。

原文: https://lihz1990.gitbooks.io/transoflptg/content/01.理解Linux操作系统/1.5.网络子系统.html