2.关于 Linux 网络基础-性能指标
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上一篇学习了 Linux 网络的基础原理。Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，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时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。
了解Linux 网络的基本原理和收发流程后，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。
接下来，打开一个终端，SSH登录到服务器上，然后一起来探索这些性能指标。
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。可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。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：
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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。
这些具体指标的含义，在文档中都有详细的说明，不过，这里有几个跟网络性能密切相关的指标，需要特别关注一下。
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。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。
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，执行下面的命令，查询套接字信息：
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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：
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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
接下来再来看看如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。推荐使用 sar，它同时支持排查 CPU、内存和 I/O 。
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：
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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。如下为千兆网卡：
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连通性和延时
最后，通常使用 ping ，来测试远程主机的连通性和延时，而这基于 ICMP 协议。比如，执行下面的命令，就可以测试本机到 114.114.114.114 这个 IP 地址的连通性和延时：
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ping 的输出，可以分为两部分。
第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。
第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。
比如上面的示例显示，发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 114.114.114.114 是连通的；平均往返延时（RTT）是 244ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到 114.114.114.114 回复的确认，总共经历 244ms。
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，可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。
思考
你理解的 Linux 网络性能。常用什么指标来衡量网络的性能？又用什么思路分析相应性能问题呢？
- iperf、iperf3:测试带宽，传输量；
- netperf：根据应用的不同，可以进行不同模式的网络性能测试，即批量数据传输（bulk data transfer）模式和请求 / 应答（request/reponse）模式。
- mtr、ping、hping3 : 测试时延
- pktgen：pps、吞吐量
- ab、webbench ： HTTP 压力测试工具
- wrk、TCPCopy、Jmeter 或者 LoadRunner ：模拟用户实际请求
