Linux優化實戰：如何分析網絡丟包的問題

所謂丟包，是指在網絡數據的收發過程中，由于種種原因，數據包還沒傳輸到應用程序中，就被丟棄了。這些被丟棄包的數量，除以總的傳輸包數，也就是我們常說的丟包率。丟包率是網絡性能中最核心的指標之一。丟包通常會帶來嚴重的性能下降，特別是對 TCP 來說，丟包通常意味著網絡擁塞和重傳，進而還會導致網絡延遲增大、吞吐降低。

一、哪里可能丟包

接下來，我就以最常用的反向代理服務器 Nginx 為例，帶你一起看看如何分析網絡丟包的問題。執行下面的 hping3 命令，進一步驗證 Nginx 是不是可以正常訪問。這里我沒有使用 ping，是因為 ping 基于 ICMP 協議，而 Nginx 使用的是 TCP 協議。

#?-c表示發送10個請求，-S表示使用TCP?SYN，-p指定端口為80
hping3?-c?10?-S?-p?80?192.168.0.30
?
HPING?192.168.0.30?(eth0?192.168.0.30):?S?set,?40?headers?+?0?data?bytes
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=3?win=5120?rtt=7.5?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=4?win=5120?rtt=7.4?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=5?win=5120?rtt=3.3?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=7?win=5120?rtt=3.0?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=6?win=5120?rtt=3027.2?ms
?
---?192.168.0.30?hping?statistic?---
10?packets?transmitted,?5?packets?received,?50%?packet?loss
round-trip?min/avg/max?=?3.0/609.7/3027.2?ms

從 hping3 的輸出中，我們可以發現，發送了 10 個請求包，卻只收到了 5 個回復，50%的包都丟了。再觀察每個請求的 RTT 可以發現，RTT 也有非常大的波動變化，小的時候只有 3ms，而大的時候則有 3s。根據這些輸出，我們基本能判斷，已經發生了丟包現象。可以猜測，3s 的 RTT ，很可能是因為丟包后重傳導致的。

那到底是哪里發生了丟包呢？排查之前，我們可以回憶一下 Linux 的網絡收發流程，先從理論上分析，哪里有可能會發生丟包。你不妨拿出手邊的筆和紙，邊回憶邊在紙上梳理，思考清楚再繼續下面的內容。在這里，為了幫你理解網絡丟包的原理，我畫了一張圖，你可以保存并打印出來使用

從圖中你可以看出，可能發生丟包的位置，實際上貫穿了整個網絡協議棧。換句話說，全程都有丟包的可能。

在兩臺 VM 連接之間，可能會發生傳輸失敗的錯誤，比如網絡擁塞、線路錯誤等；

在網卡收包后，環形緩沖區可能會因為溢出而丟包；

在鏈路層，可能會因為網絡幀校驗失敗、QoS 等而丟包；

在 IP 層，可能會因為路由失敗、組包大小超過 MTU 等而丟包；

在傳輸層，可能會因為端口未監聽、資源占用超過內核限制等而丟包；

在套接字層，可能會因為套接字緩沖區溢出而丟包；

在應用層，可能會因為應用程序異常而丟包；

此外，如果配置了 iptables 規則，這些網絡包也可能因為 iptables 過濾規則而丟包

當然，上面這些問題，還有可能同時發生在通信的兩臺機器中。不過，由于我們沒對 VM2做任何修改，并且 VM2 也只運行了一個最簡單的 hping3 命令，這兒不妨假設它是沒有問題的。為了簡化整個排查過程，我們還可以進一步假設， VM1 的網絡和內核配置也沒問題。接下來，就可以從協議棧中，逐層排查丟包問題。

二、鏈路層

當鏈路層由于緩沖區溢出等原因導致網卡丟包時，Linux 會在網卡收發數據的統計信息中記錄下收發錯誤的次數。可以通過 ethtool 或者 netstat ，來查看網卡的丟包記錄。

netstat?-i
?
Kernel?Interface?table
Iface??????MTU????RX-OK?RX-ERR?RX-DRP?RX-OVR????TX-OK?TX-ERR?TX-DRP?TX-OVR?Flg
eth0???????100???????31??????0??????0?0?????????????8??????0??????0??????0?BMRU
lo???????65536????????0??????0??????0?0?????????????0??????0??????0??????0?LRU

RX-OK、RX-ERR、RX-DRP、RX-OVR ，分別表示接收時的總包數、總錯誤數、進入 Ring Buffer 后因其他原因（如內存不足）導致的丟包數以及 Ring Buffer 溢出導致的丟包數。

TX-OK、TX-ERR、TX-DRP、TX-OVR 也代表類似的含義，只不過是指發送時對應的各個指標。

這里我們沒有發現任何錯誤，說明虛擬網卡沒有丟包。不過要注意，如果用 tc 等工具配置了 QoS，那么 tc 規則導致的丟包，就不會包含在網卡的統計信息中。所以接下來，我們還要檢查一下 eth0 上是否配置了 tc 規則，并查看有沒有丟包。添加 -s 選項，以輸出統計信息：

tc?-s?qdisc?show?dev?eth0
?
qdisc?netem?800d:?root?refcnt?2?limit?1000?loss?30%
?Sent?432?bytes?8?pkt?(dropped?4,?overlimits?0?requeues?0)
?backlog?0b?0p?requeues?0

可以看到， eth0 上配置了一個網絡模擬排隊規則（qdisc netem），并且配置了丟包率為 30%（loss 30%）。再看后面的統計信息，發送了 8 個包，但是丟了 4個。看來應該就是這里導致 Nginx 回復的響應包被 netem 模塊給丟了。

既然發現了問題，解決方法也很簡單，直接刪掉 netem 模塊就可以了。執行下面的命令，刪除 tc 中的 netem 模塊：

tc?qdisc?del?dev?eth0?root?netem?loss?30%

刪除后，重新執行之前的 hping3 命令，看看現在還有沒有問題：

hping3?-c?10?-S?-p?80?192.168.0.30
?
HPING?192.168.0.30?(eth0?192.168.0.30):?S?set,?40?headers?+?0?data?bytes
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=0?win=5120?rtt=7.9?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=2?win=5120?rtt=1003.8?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=5?win=5120?rtt=7.6?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=6?win=5120?rtt=7.4?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=9?win=5120?rtt=3.0?ms
?
---?192.168.0.30?hping?statistic?---
10?packets?transmitted,?5?packets?received,?50%?packet?loss
round-trip?min/avg/max?=?3.0/205.9/1003.8?ms

不幸的是，從 hping3 的輸出中可以看到還是 50% 的丟包，RTT 的波動也仍舊很大，從 3ms 到 1s。顯然，問題還是沒解決，丟包還在繼續發生。不過，既然鏈路層已經排查完了，我們就繼續向上層分析，看看網絡層和傳輸層有沒有問題。

三、網絡層和傳輸層

在網絡層和傳輸層中，引發丟包的因素非常多。不過，其實想確認是否丟包，是非常簡單的事，因為 Linux 已經為我們提供了各個協議的收發匯總情況。執行 netstat -s 命令，可以看到協議的收發匯總，以及錯誤信息：

netstat?-s
#輸出
Ip:
????Forwarding:?1??????????//開啟轉發
????31?total?packets?received????//總收包數
????0?forwarded????????????//轉發包數
????0?incoming?packets?discarded??//接收丟包數
????25?incoming?packets?delivered??//接收的數據包數
????15?requests?sent?out??????//發出的數據包數
Icmp:
????0?ICMP?messages?received????//收到的ICMP包數
????0?input?ICMP?message?failed????//收到ICMP失敗數
????ICMP?input?histogram:
????0?ICMP?messages?sent??????//ICMP發送數
????0?ICMP?messages?failed??????//ICMP失敗數
????ICMP?output?histogram:
Tcp:
????0?active?connection?openings??//主動連接數
????0?passive?connection?openings??//被動連接數
????11?failed?connection?attempts??//失敗連接嘗試數
????0?connection?resets?received??//接收的連接重置數
????0?connections?established????//建立連接數
????25?segments?received??????//已接收報文數
????21?segments?sent?out??????//已發送報文數
????4?segments?retransmitted????//重傳報文數
????0?bad?segments?received??????//錯誤報文數
????0?resets?sent??????????//發出的連接重置數
Udp:
????0?packets?received
????...
TcpExt:
????11?resets?received?for?embryonic?SYN_RECV?sockets??//半連接重置數
????0?packet?headers?predicted
????TCPTimeouts:?7????//超時數
????TCPSynRetrans:?4??//SYN重傳數
??...

etstat 匯總了 IP、ICMP、TCP、UDP 等各種協議的收發統計信息。不過，我們的目的是排查丟包問題，所以這里主要觀察的是錯誤數、丟包數以及重傳數。可以看到，只有 TCP 協議發生了丟包和重傳，分別是：

11 次連接失敗重試（11 failed connection attempts）

4 次重傳（4 segments retransmitted）

11 次半連接重置（11 resets received for embryonic SYN_RECV sockets）

4 次 SYN 重傳（TCPSynRetrans）

7 次超時（TCPTimeouts）

這個結果告訴我們，TCP 協議有多次超時和失敗重試，并且主要錯誤是半連接重置。換句話說，主要的失敗，都是三次握手失敗。不過，雖然在這兒看到了這么多失敗，但具體失敗的根源還是無法確定。所以，我們還需要繼續順著協議棧來分析。接下來的幾層又該如何分析呢？

四、 iptables

首先，除了網絡層和傳輸層的各種協議，iptables 和內核的連接跟蹤機制也可能會導致丟包。所以，這也是發生丟包問題時我們必須要排查的一個因素。

先來看看連接跟蹤，要確認是不是連接跟蹤導致的問題，只需要對比當前的連接跟蹤數和最大連接跟蹤數即可。

#?主機終端中查詢內核配置
$?sysctl?net.netfilter.nf_conntrack_max
net.netfilter.nf_conntrack_max?=?262144
$?sysctl?net.netfilter.nf_conntrack_count
net.netfilter.nf_conntrack_count?=?182

可以看到，連接跟蹤數只有 182，而最大連接跟蹤數則是 262144。顯然，這里的丟包，不可能是連接跟蹤導致的。

接著，再來看 iptables。回顧一下 iptables 的原理，它基于 Netfilter 框架，通過一系列的規則，對網絡數據包進行過濾（如防火墻）和修改（如 NAT）。這些 iptables 規則，統一管理在一系列的表中，包括 filter、nat、mangle（用于修改分組數據）和 raw（用于原始數據包）等。而每張表又可以包括一系列的鏈，用于對 iptables 規則進行分組管理。

對于丟包問題來說，最大的可能就是被 filter 表中的規則給丟棄了。要弄清楚這一點，就需要我們確認，那些目標為 DROP 和 REJECT 等會棄包的規則，有沒有被執行到。可以直接查詢 DROP 和 REJECT 等規則的統計信息，看看是否為0。如果不是 0 ，再把相關的規則拎出來進行分析。

iptables?-t?filter?-nvL
#輸出
Chain?INPUT?(policy?ACCEPT?25?packets,?1000?bytes)
?pkts?bytes?target?????prot?opt?in?????out?????source???????????????destination
????6???240?DROP???????all??--??*??????*???????0.0.0.0/0????????????0.0.0.0/0????????????statistic?mode?random?probability?0.29999999981
?
Chain?FORWARD?(policy?ACCEPT?0?packets,?0?bytes)
?pkts?bytes?target?????prot?opt?in?????out?????source???????????????destination
?
Chain?OUTPUT?(policy?ACCEPT?15?packets,?660?bytes)
?pkts?bytes?target?????prot?opt?in?????out?????source???????????????destination
????6???264?DROP???????all??--??*??????*???????0.0.0.0/0????????????0.0.0.0/0????????????statistic?mode?random?probability?0.29999999981

從 iptables 的輸出中，你可以看到，兩條 DROP 規則的統計數值不是 0，它們分別在INPUT 和 OUTPUT 鏈中。這兩條規則實際上是一樣的，指的是使用 statistic 模塊，進行隨機 30% 的丟包。0.0.0.0/0 表示匹配所有的源 IP 和目的 IP，也就是會對所有包都進行隨機 30% 的丟包。看起來，這應該就是導致部分丟包的“罪魁禍首”了。

執行下面的兩條 iptables 命令，刪除這兩條 DROP 規則。

root@nginx:/#?iptables?-t?filter?-D?INPUT?-m?statistic?--mode?random?--probability?0.30?-j?DROP
root@nginx:/#?iptables?-t?filter?-D?OUTPUT?-m?statistic?--mode?random?--probability?0.30?-j?DROP

再次執行剛才的 hping3 命令，看看現在是否正常

hping3?-c?10?-S?-p?80?192.168.0.30
#輸出
HPING?192.168.0.30?(eth0?192.168.0.30):?S?set,?40?headers?+?0?data?bytes
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=0?win=5120?rtt=11.9?ms
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=1?win=5120?rtt=7.8?ms
...
len=44?ip=192.168.0.30?ttl=63?DF?id=0?sport=80?flags=SA?seq=9?win=5120?rtt=15.0?ms
?
---?192.168.0.30?hping?statistic?---
10?packets?transmitted,?10?packets?received,?0%?packet?loss
round-trip?min/avg/max?=?3.3/7.9/15.0?ms

這次輸出你可以看到，現在已經沒有丟包了，并且延遲的波動變化也很小。看來，丟包問題應該已經解決了。

不過，到目前為止，我們一直使用的 hping3 工具，只能驗證案例 Nginx 的 80 端口處于正常監聽狀態，卻還沒有訪問 Nginx 的 HTTP 服務。所以，不要匆忙下結論結束這次優化，我們還需要進一步確認，Nginx 能不能正常響應 HTTP 請求。我們繼續在終端二中，執行如下的 curl 命令，檢查 Nginx 對 HTTP 請求的響應：

$?curl?--max-time?3?http://192.168.0.30
curl:?(28)?Operation?timed?out?after?3000?milliseconds?with?0?bytes?received

奇怪，hping3 的結果顯示Nginx 的 80 端口是正常狀態，為什么還是不能正常響應 HTTP 請求呢？別忘了，我們還有個大殺器——抓包操作。看來有必要抓包看看了。

五、 tcpdump

執行下面的 tcpdump 命令，抓取 80 端口的包

tcpdump?-i?eth0?-nn?port?80
#輸出
tcpdump:?verbose?output?suppressed,?use?-v?or?-vv?for?full?protocol?decode
listening?on?eth0,?link-type?EN10MB?(Ethernet),?capture?size?262144?bytes

然后，切換到終端二中，再次執行前面的 curl 命令：

curl?--max-time?3?http://192.168.0.30
curl:?(28)?Operation?timed?out?after?3000?milliseconds?with?0?bytes?received

等到 curl 命令結束后，再次切換回終端一，查看 tcpdump 的輸出：

1400.589235?IP?10.255.255.5.39058?>?172.17.0.2.80:?Flags?[S],?seq?332257715,?win?29200,?options?[mss?1418,sackOK,TS?val?486800541?ecr?0,nop,wscale?7],?length?0
1400.589277?IP?172.17.0.2.80?>?10.255.255.5.39058:?Flags?[S.],?seq?1630206251,?ack?332257716,?win?4880,?options?[mss?256,sackOK,TS?val?2509376001?ecr?486800541,nop,wscale?7],?length?0
1400.589894?IP?10.255.255.5.39058?>?172.17.0.2.80:?Flags?[.],?ack?1,?win?229,?options?[nop,nop,TS?val?486800541?ecr?2509376001],?length?0
1403.589352?IP?10.255.255.5.39058?>?172.17.0.2.80:?Flags?[F.],?seq?76,?ack?1,?win?229,?options?[nop,nop,TS?val?486803541?ecr?2509376001],?length?0
1403.589417?IP?172.17.0.2.80?>?10.255.255.5.39058:?Flags?[.],?ack?1,?win?40,?options?[nop,nop,TS?val?2509379001?ecr?486800541,nop,nop,sack?1?{76:77}],?length?0

從 tcpdump 的輸出中，我們就可以看到：

前三個包是正常的 TCP 三次握手，這沒問題；

但第四個包卻是在 3 秒以后了，并且還是客戶端（VM2）發送過來的 FIN 包，說明客戶端的連接關閉了

根據 curl 設置的 3 秒超時選項，你應該能猜到，這是因為 curl 命令超時后退出了。用 Wireshark 的 Flow Graph 來表示，

你可以更清楚地看到上面這個問題：

img

這里比較奇怪的是，我們并沒有抓取到 curl 發來的 HTTP GET 請求。那究竟是網卡丟包了，還是客戶端就沒發過來呢？

可以重新執行 netstat -i 命令，確認一下網卡有沒有丟包問題：

netstat?-i
?
Kernel?Interface?table
Iface??????MTU????RX-OK?RX-ERR?RX-DRP?RX-OVR????TX-OK?TX-ERR?TX-DRP?TX-OVR?Flg
eth0???????100??????157??????0????344?0????????????94??????0??????0??????0?BMRU
lo???????65536????????0??????0??????0?0?????????????0??????0??????0??????0?LRU

從 netstat 的輸出中，你可以看到，接收丟包數（RX-DRP）是 344，果然是在網卡接收時丟包了。不過問題也來了，為什么剛才用 hping3 時不丟包，現在換成 GET 就收不到了呢？還是那句話，遇到搞不懂的現象，不妨先去查查工具和方法的原理。我們可以對比一下這兩個工具：

hping3 實際上只發送了 SYN 包；

curl 在發送 SYN 包后，還會發送 HTTP GET 請求。HTTP GET本質上也是一個 TCP 包，但跟 SYN 包相比，它還攜帶了 HTTP GET 的數據。

通過這個對比，你應該想到了，這可能是 MTU 配置錯誤導致的。為什么呢？

其實，仔細觀察上面 netstat 的輸出界面，第二列正是每個網卡的 MTU 值。eth0 的 MTU只有 100，而以太網的 MTU 默認值是 1500，這個 100 就顯得太小了。當然，MTU 問題是很好解決的，把它改成 1500 就可以了。

ifconfig?eth0?mtu?1500

修改完成后，再切換到終端二中，再次執行 curl 命令，確認問題是否真的解決了：

curl?--max-time?3?http://192.168.0.30/ #輸出 ...

Thank?you?for?using?nginx.

非常不容易呀，這次終于看到了熟悉的 Nginx 響應，說明丟包的問題終于徹底解決了。

編輯：黃飛

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