Linux 網絡協議棧是根據 TCP/IP 模型來實現的，TCP/IP 模型由應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層，共四層組成，每一層都有各自的職責。
應用程序要發送數據包時，通常是通過 socket 接口，於是就會發生系統調用，把應用層的數據拷貝到內核裏的 socket 層，接着由網絡協議棧從上到下逐層處理後，最後纔會送到網卡發送出去。
而對於接收網絡包時，同樣也要經過網絡協議逐層處理，不過處理的方向與發送數據時是相反的，也就是從下到上的逐層處理，最後才送到應用程序。
網絡的速度往往跟用戶體驗是掛鉤的，那我們又該用什麼指標來衡量 Linux 的網絡性能呢？以及如何分析網絡問題呢？
這次，我們就來說這些。
性能指標有哪些？
通常是以 4 個指標來衡量網絡的性能，分別是帶寬、延時、吞吐率、PPS（Packet Per Second），它們表示的意義如下：
- 帶寬，表示鏈路的最大傳輸速率，單位是 b/s （比特 / 秒），帶寬越大，其傳輸能力就越強。
- 延時，表示請求數據包發送後，收到對端響應，所需要的時間延遲。不同的場景有着不同的含義，比如可以表示建立 TCP 連接所需的時間延遲，或一個數據包往返所需的時間延遲。
- 吞吐率，表示單位時間內成功傳輸的數據量，單位是 b/s（比特 / 秒）或者 B/s（字節 / 秒），吞吐受帶寬限制，帶寬越大，吞吐率的上限纔可能越高。
- PPS，全稱是 Packet Per Second（包 / 秒），表示以網絡包爲單位的傳輸速率，一般用來評估系統對於網絡的轉發能力。
當然，除了以上這四種基本的指標，還有一些其他常用的性能指標，比如：
- 網絡的可用性，表示網絡能否正常通信；
- 併發連接數，表示 TCP 連接數量；
- 丟包率，表示所丟失數據包數量佔所發送數據組的比率；
- 重傳率，表示重傳網絡包的比例；
你可能會問了，如何觀測這些性能指標呢？不急，繼續往下看。
網絡配置如何看？
要想知道網絡的配置和狀態，我們可以使用 ifconfig 或者 ip 命令來查看。
這兩個命令功能都差不多，不過它們屬於不同的軟件包，ifconfig 屬於 net-tools 軟件包，ip 屬於 iproute2 軟件包，我的印象中 net-tools 軟件包沒有人繼續維護了，而 iproute2 軟件包是有開發者依然在維護，所以更推薦你使用 ip 工具。
學以致用，那就來使用這兩個命令，來查看網口 eth0 的配置等信息：
雖然這兩個命令輸出的格式不盡相同，但是輸出的內容基本相同，比如都包含了 IP 地址、子網掩碼、MAC 地址、網關地址、MTU 大小、網口的狀態以及網路包收發的統計信息，下面就來說說這些信息，它們都與網絡性能有一定的關係。
第一，網口的連接狀態標誌。其實也就是表示對應的網口是否連接到交換機或路由器等設備，如果 ifconfig 輸出中看到有 RUNNING，或者 ip 輸出中有 LOWER_UP，則說明物理網路是連通的，如果看不到，則表示網口沒有接網線。
第二，MTU 大小。默認值是 1500 字節，其作用主要是限制網絡包的大小，如果 IP 層有一個數據報要傳，而且數據幀的長度比鏈路層的 MTU 還大，那麼 IP 層就需要進行分片，即把數據報分成乾片，這樣每一片就都小於 MTU。事實上，每個網絡的鏈路層 MTU 可能會不一樣，所以你可能需要調大或者調小 MTU 的數值。
第三，網口的 IP 地址、子網掩碼、MAC 地址、網關地址。這些信息必須要配置正確，網絡功能才能正常工作。
第四，網路包收發的統計信息。通常有網絡收發的字節數、包數、錯誤數以及丟包情況的信息，如果 TX（發送） 和 RX（接收） 部分中 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指標不爲 0 時，則說明網絡發送或者接收出問題了，這些出錯統計信息的指標意義如下：
- errors 表示發生錯誤的數據包數，比如校驗錯誤、幀同步錯誤等；
- dropped 表示丟棄的數據包數，即數據包已經收到了 Ring Buffer（這個緩衝區是在內核內存中，更具體一點是在網卡驅動程序裏），但因爲系統內存不足等原因而發生的丟包；
- overruns 表示超限數據包數，即網絡接收/發送速度過快，導致 Ring Buffer 中的數據包來不及處理，而導致的丟包，因爲過多的數據包擠壓在 Ring Buffer，這樣 Ring Buffer 很容易就溢出了；
- carrier 表示發生 carrirer 錯誤的數據包數，比如雙工模式不匹配、物理電纜出現問題等；
- collisions 表示衝突、碰撞數據包數；
ifconfig 和 ip 命令只顯示的是網口的配置以及收發數據包的統計信息，而看不到協議棧裏的信息，那接下來就來看看如何查看協議棧裏的信息。
socket 信息如何查看？
我們可以使用 netstat 或者 ss，這兩個命令查看 socket、網絡協議棧、網口以及路由表的信息。
雖然 netstat 與 ss 命令查看的信息都差不多，但是如果在生產環境中要查看這類信息的時候，儘量不要使用 netstat 命令，因爲它的性能不好，在系統比較繁忙的情況下，如果頻繁使用 netstat 命令則會對性能的開銷雪上加霜，所以更推薦你使用性能更好的 ss 命令。
從下面這張圖，你可以看到這兩個命令的輸出內容：
可以發現，輸出的內容都差不多， 比如都包含了 socket 的狀態（State）、接收隊列（Recv-Q）、發送隊列（Send-Q）、本地地址（Local Address）、遠端地址（Foreign Address）、進程 PID 和進程名稱（PID/Program name）等。
接收隊列（Recv-Q）和發送隊列（Send-Q）比較特殊，在不同的 socket 狀態。它們表示的含義是不同的。
當 socket 狀態處於 Established時：
- Recv-Q 表示 socket 緩衝區中還沒有被應用程序讀取的字節數；
- Send-Q 表示 socket 緩衝區中還沒有被遠端主機確認的字節數；
而當 socket 狀態處於 Listen 時：
- Recv-Q 表示全連接隊列的長度；
- Send-Q 表示全連接隊列的最大長度；
在 TCP 三次握手過程中，當服務器收到客戶端的 SYN 包後，內核會把該連接存儲到半連接隊列，然後再向客戶端發送 SYN+ACK 包，接着客戶端會返回 ACK，服務端收到第三次握手的 ACK 後，內核會把連接從半連接隊列移除，然後創建新的完全的連接，並將其增加到全連接隊列 ，等待進程調用 accept() 函數時把連接取出來。
半連接隊列與全連接隊列
也就說，全連接隊列指的是服務器與客戶端完了 TCP 三次握手後，還沒有被 accept() 系統調用取走連接的隊列。
那對於協議棧的統計信息，依然還是使用 netstat 或 ss，它們查看統計信息的命令如下：
ss 命令輸出的統計信息相比 netsat 比較少，ss 只顯示已經連接（estab）、關閉（closed）、孤兒（orphaned） socket 等簡要統計。
而 netstat 則有更詳細的網絡協議棧信息，比如上面顯示了 TCP 協議的主動連接（active connections openings）、被動連接（passive connection openings）、失敗重試（failed connection attempts）、發送（segments send out）和接收（segments received）的分段數量等各種信息。
網絡吞吐率和 PPS 如何查看？
可以使用 sar 命令當前網絡的吞吐率和 PPS，用法是給 sar 增加 -n 參數就可以查看網絡的統計信息，比如
- sar -n DEV，顯示網口的統計數據；
- sar -n EDEV，顯示關於網絡錯誤的統計數據；
- sar -n TCP，顯示 TCP 的統計數據
比如，我通過 sar 命令獲取了網口的統計信息：
它們的含義：
rxpck/s和txpck/s分別是接收和發送的 PPS，單位爲包 / 秒。rxkB/s和txkB/s分別是接收和發送的吞吐率，單位是 KB/ 秒。rxcmp/s和txcmp/s分別是接收和發送的壓縮數據包數，單位是包 / 秒。
對於帶寬，我們可以使用 ethtool 命令來查詢，它的單位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不過注意這裏小寫字母 b ，表示比特而不是字節。我們通常提到的千兆網卡、萬兆網卡等，單位也都是比特（bit）。如下你可以看到， eth0 網卡就是一個千兆網卡：
$ ethtool eth0 | grep Speed
Speed: 1000Mb/s
連通性和延時如何查看？
要測試本機與遠程主機的連通性和延時，通常是使用 ping 命令，它是基於 ICMP 協議的，工作在網絡層。
比如，如果要測試本機到 192.168.12.20 IP 地址的連通性和延時：
顯示的內容主要包含 icmp_seq（ICMP 序列號）、TTL（生存時間，或者跳數）以及 time （往返延時），而且最後會彙總本次測試的情況，如果網絡沒有丟包，packet loss 的百分比就是 0。
不過，需要注意的是，ping 不通服務器並不代表 HTTP 請求也不通，因爲有的服務器的防火牆是會禁用 ICMP 協議的。
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