Linux TCP队列相关参数的总结
锋寒 技术保障 基础平台 技术专家
在Linux上做网络应用的性能优化时，一般都会对TCP相关的内核参数进行调节，特别是和缓冲、队列有关的参数。网上搜到的文章会告诉你需要修改哪些参数，但我们经常是知其然而不知其所以然，每次照抄过来后，可能很快就忘记或混淆了它们的含义。本文尝试总结TCP队列缓冲相关的内核参数，从协议栈的角度梳理它们，希望可以更容易的理解和记忆。注意，本文内容均来源于参考文档，没有去读相关的内核源码做验证，不能保证内容严谨正确。作为Java程序员没读过内核源码是硬伤。
下面我以server端为视角，从
一、连接建立
简单看下连接的建立过程，客户端向server发送SYN包，server回复SYN＋ACK，同时将这个处于SYN_RECV状态的连接保存到半连接队列。客户端返回ACK包完成三次握手，server将ESTABLISHED状态的连接移入accept队列，等待应用调用accept()。
可以看到建立连接涉及两个队列：
- 半连接队列，保存
SYN_RECV状态的连接。队列长度由net.ipv4.tcp_max_syn_backlog设置 - accept队列，保存
ESTABLISHED状态的连接。队列长度为min(net.core.somaxconn, backlog)。其中backlog是我们创建ServerSocket(int port,int backlog)时指定的参数，最终会传递给listen方法：
1 | #include |
如果我们设置的backlog大于net.core.somaxconn，accept队列的长度将被设置为net.core.somaxconn
另外，为了应对SYN flooding（即客户端只发送SYN包发起握手而不回应ACK完成连接建立，填满server端的半连接队列，让它无法处理正常的握手请求），Linux实现了一种称为SYN cookie的机制，通过net.ipv4.tcp_syncookies控制，设置为1表示开启。简单说SYN cookie就是将连接信息编码在ISN(initial sequence number)中返回给客户端，这时server不需要将半连接保存在队列中，而是利用客户端随后发来的ACK带回的ISN还原连接信息，以完成连接的建立，避免了半连接队列被攻击SYN包填满。对于一去不复返的客户端握手，不理它就是了。
二、数据包的接收
先看看接收数据包经过的路径：
数据包的接收，从下往上经过了三层：网卡驱动、系统内核空间，最后到用户态空间的应用。Linux内核使用sk_buff(socket kernel buffers)数据结构描述一个数据包。当一个新的数据包到达，NIC（network interface controller）调用DMA engine，通过Ring Buffer将数据包放置到内核内存区。Ring Buffer的大小固定，它不包含实际的数据包，而是包含了指向sk_buff的描述符。当Ring Buffer满的时候，新来的数据包将给丢弃。一旦数据包被成功接收，NIC发起中断，由内核的中断处理程序将数据包传递给IP层。经过IP层的处理，数据包被放入队列等待TCP层处理。每个数据包经过TCP层一系列复杂的步骤，更新TCP状态机，最终到达recv Buffer，等待被应用接收处理。有一点需要注意，数据包到达recv Buffer，TCP就会回ACK确认，既TCP的ACK表示数据包已经被操作系统内核收到，但并不确保应用层一定收到数据（例如这个时候系统crash），因此一般建议应用协议层也要设计自己的确认机制。
上面就是一个相当简化的数据包接收流程，让我们逐层看看队列缓冲有关的参数。
1.网卡Bonding模式
当主机有1个以上的网卡时，Linux会将多个网卡绑定为一个虚拟的bonded网络接口，对TCP/IP而言只存在一个bonded网卡。多网卡绑定一方面能够提高网络吞吐量，另一方面也可以增强网络高可用。Linux支持7种Bonding模式：
Mode 0 (balance-rr) Round-robin策略，这个模式具备负载均衡和容错能力 Mode 1 (active-backup) 主备策略，在绑定中只有一个网卡被激活，其他处于备份状态 Mode 2 (balance-xor) XOR策略，通过源MAC地址与目的MAC地址做异或操作选择slave网卡 Mode 3 (broadcast) 广播，在所有的网卡上传送所有的报文 Mode 4 (802.3ad) IEEE 802.3ad 动态链路聚合。创建共享相同的速率和双工模式的聚合组 Mode 5 (balance-tlb) Adaptive transmit load balancing Mode 6 (balance-alb) Adaptive load balancing
详细的说明参考内核文档Linux Ethernet Bonding Driver HOWTO。我们可以通过cat /proc/net/bonding/bond0查看本机的Bonding模式：
一般很少需要开发去设置网卡Bonding模式，自己实验的话可以参考这篇文档
2.网卡多队列及中断绑定
随着网络的带宽的不断提升，单核CPU已经不能满足网卡的需求，这时通过多队列网卡驱动的支持，可以将每个队列通过中断绑定到不同的CPU核上，充分利用多核提升数据包的处理能力。
首先查看网卡是否支持多队列，使用lspci -vvv命令，找到Ethernet controller项：
如果有MSI-X， Enable+ 并且Count > 1，则该网卡是多队列网卡。
然后查看是否打开了网卡多队列。使用命令cat /proc/interrupts，如果看到eth0-TxRx-0表明多队列支持已经打开：
最后确认每个队列是否绑定到不同的CPU。cat /proc/interrupts查询到每个队列的中断号，对应的文件/proc/irq/${IRQ_NUM}/smp_affinity为中断号IRQ_NUM绑定的CPU核的情况。以十六进制表示，每一位代表一个CPU核：
1 | （00000001）代表CPU0 |
如果绑定的不均衡，可以手工设置，例如：
1 | echo "1" > /proc/irq/99/smp_affinity |
3.Ring Buffer
Ring Buffer位于NIC和IP层之间，是一个典型的FIFO（先进先出）环形队列。Ring Buffer没有包含数据本身，而是包含了指向sk_buff（socket kernel buffers）的描述符。
可以使用ethtool -g eth0查看当前Ring Buffer的设置：
上面的例子接收队列为4096，传输队列为256。可以通过ifconfig观察接收和传输队列的运行状况：
1.RX errors: 收包总的错误数
2.RX dropped: 表示数据包已经进入了Ring Buffer，但是由于内存不够等系统原因，导致在拷贝到内存的过程中被丢弃。
3.RX overruns: overruns意味着数据包没到Ring Buffer就被网卡物理层给丢弃了，而CPU无法及时的处理中断是造成Ring Buffer满的原因之一，例如中断分配的不均匀。当dropped数量持续增加，建议增大Ring Buffer，使用ethtool -G进行设置。
4.Input Packet Queue(数据包接收队列)
当接收数据包的速率大于内核TCP处理包的速率，数据包将会缓冲在TCP层之前的队列中。接收队列的长度由参数net.core.netdev_max_backlog设置。
5.recv Buffer
recv buffer是调节TCP性能的关键参数。BDP(Bandwidth-delay product，带宽延迟积) 是网络的带宽和与RTT(round trip time)的乘积，BDP的含义是任意时刻处于在途未确认的最大数据量。RTT使用ping命令可以很容易的得到。为了达到最大的吞吐量，recv Buffer的设置应该大于BDP，即recv Buffer >= bandwidth * RTT。假设带宽是100Mbps，RTT是100ms，那么BDP的计算如下：
1 | BDP = 100Mbps * 100ms = (100 / 8) * (100 / 1000) = 1.25MB |
Linux在2.6.17以后增加了recv Buffer自动调节机制，recv buffer的实际大小会自动在最小值和最大值之间浮动，以期找到性能和资源的平衡点，因此大多数情况下不建议将recv buffer手工设置成固定值。
当net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf设置为1时，自动调节机制生效，每个TCP连接的recv Buffer由下面的3元数组指定：
1 | net.ipv4.tcp_rmem = |
最初recv buffer被设置为，同时这个缺省值会覆盖net.core.rmem_default的设置。随后recv buffer根据实际情况在最大值和最小值之间动态调节。在缓冲的动态调优机制开启的情况下，我们将net.ipv4.tcp_rmem的最大值设置为BDP。
当net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf被设置为0，或者设置了socket选项SO_RCVBUF，缓冲的动态调节机制被关闭。recv buffer的缺省值由net.core.rmem_default设置，但如果设置了net.ipv4.tcp_rmem，缺省值则被覆盖。可以通过系统调用setsockopt()设置recv buffer的最大值为net.core.rmem_max。在缓冲动态调节机制关闭的情况下，建议把缓冲的缺省值设置为BDP。
注意这里还有一个细节，缓冲除了保存接收的数据本身，还需要一部分空间保存socket数据结构等额外信息。因此上面讨论的recv buffer最佳值仅仅等于BDP是不够的，还需要考虑保存socket等额外信息的开销。Linux根据参数net.ipv4.tcp_adv_win_scale计算额外开销的大小：
如果net.ipv4.tcp_adv_win_scale的值为1，则二分之一的缓冲空间用来做额外开销，如果为2的话，则四分之一缓冲空间用来做额外开销。因此recv buffer的最佳值应该设置为：
三、数据包的发送
发送数据包经过的路径：
和接收数据的路径相反，数据包的发送从上往下也经过了三层：用户态空间的应用、系统内核空间、最后到网卡驱动。应用先将数据写入TCP send buffer，TCP层将send buffer中的数据构建成数据包转交给IP层。IP层会将待发送的数据包放入队列QDisc(queueing discipline)。数据包成功放入QDisc后，指向数据包的描述符sk_buff被放入Ring Buffer输出队列，随后网卡驱动调用DMA engine将数据发送到网络链路上。
同样我们逐层来梳理队列缓冲有关的参数。
1.send Buffer
同recv Buffer类似，和send Buffer有关的参数如下：
1 | net.ipv4.tcp_wmem = |
发送端缓冲的自动调节机制很早就已经实现，并且是无条件开启，没有参数去设置。如果指定了tcp_wmem，则net.core.wmem_default被tcp_wmem的覆盖。send Buffer在tcp_wmem的最小值和最大值之间自动调节。如果调用setsockopt()设置了socket选项SO_SNDBUF，将关闭发送端缓冲的自动调节机制，tcp_wmem将被忽略，SO_SNDBUF的最大值由net.core.wmem_max限制。
2.QDisc
QDisc（queueing discipline ）位于IP层和网卡的ring buffer之间。我们已经知道，ring buffer是一个简单的FIFO队列，这种设计使网卡的驱动层保持简单和快速。而QDisc实现了流量管理的高级功能，包括流量分类，优先级和流量整形（rate-shaping）。可以使用tc命令配置QDisc。
QDisc的队列长度由txqueuelen设置，和接收数据包的队列长度由内核参数net.core.netdev_max_backlog控制所不同，txqueuelen是和网卡关联，可以用ifconfig命令查看当前的大小：
使用ifconfig调整txqueuelen的大小：
1 | ifconfig eth0 txqueuelen 2000 |
3.Ring Buffer
和数据包的接收一样，发送数据包也要经过Ring Buffer，使用ethtool -g eth0查看：
其中TX项是Ring Buffer的传输队列，也就是发送队列的长度。设置也是使用命令ethtool -G。
4.TCP Segmentation和Checksum Offloading
操作系统可以把一些TCP/IP的功能转交给网卡去完成，特别是Segmentation(分片)和checksum的计算，这样可以节省CPU资源，并且由硬件代替OS执行这些操作会带来性能的提升。
一般以太网的MTU（Maximum Transmission Unit）为1500 bytes，假设应用要发送数据包的大小为7300bytes，MTU1500字节 － IP头部20字节 － TCP头部20字节＝有效负载为1460字节，因此7300字节需要拆分成5个segment：
Segmentation(分片)操作可以由操作系统移交给网卡完成，虽然最终线路上仍然是传输5个包，但这样节省了CPU资源并带来性能的提升：
可以使用ethtool -k eth0查看网卡当前的offloading情况：
上面这个例子checksum和tcp segmentation的offloading都是打开的。如果想设置网卡的offloading开关，可以使用ethtool -K(注意K是大写)命令，例如下面的命令关闭了tcp segmentation offload：
1 | sudo ethtool -K eth0 tso off |
5.网卡多队列和网卡Bonding模式
在数据包的接收过程中已经介绍过了。
至此，终于梳理完毕。整理TCP队列相关参数的起因是最近在排查一个网络超时问题，原因还没有找到，产生的“副作用”就是这篇文档。再想深入解决这个问题可能需要做TCP协议代码的profile，需要继续学习，希望不久的将来就可以再写文档和大家分享了。
参考文档
Queueing in the Linux Network Stack
TCP Implementation in Linux: A Brief Tutorial
Impact of Bandwidth Delay Product on TCP Throughput