前言

经过对Linux CPU、内存、I/O的性能指标了解后，我们今天再来看Linux另外一个重要的模块-网络的性能指标。
网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间的通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。
同样，先简单了解下Linux网络的工作过程，这样才能帮助我们更好地理解网络的性能指标。

Linux网络是如何工作的

说到网络，离不开网络模型。我们熟知的有OSI七层网络模型，以及实际更实用的四层模型，即TCP/IP网络模型。TCP/IP把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层，各层分工如下：

  • 应用层：负责和面向用户的应用程序协同工作，相关协议包括HTTP、FTP、DNS等
  • 传输层：负责端到端的通信，相关协议包括TCP、UDP等
  • 网络层：负责网络包的封装、寻址和路由，相关协议包括IP、ICMP等
  • 网络接口层：负责网络包在物理网络中的传输，比如MAC寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等，相关协议包括ARP等

Linux内核中的网络栈，也类似于TCP/IP的四层结构，如下为Linux通用IP网络栈的示意图
image.png
从上到下看这个网络栈，可以发现：

  • 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口（Socket）进行交互
  • 套接字下面，分别是传输层（红色）、网络层（橙色）、网络接口层（蓝色）
  • igb、bnx为网卡驱动程序
  • 最底层是物理网卡设备

网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络发送、接收过程中，内核通过中断跟网卡进程交互。对于中断在CPU一文中已介绍过，网卡硬中断处理硬件事件，即做网卡数据读取或发送，而软中断会处理内存中的网络数据，按照网络协议栈，一层一层的解析（从物理层到应用层），直到把数据送到应用程序。

下图为网络包的发送和接收处理过程，左半部分表示接收流程，右半部分为发送过程，箭头为处理路径
image.png
其中

  • DMA为直接存储器访问（Direct Memory Access），可以实现将硬件（如网卡）的数据直接搬到内存中（反之亦可），而不需要依赖CPU的大量中断来完成
  • 环状是网卡收发网络包时，通过DMA方式交互的环形缓冲区

了解完网络的基本工作过程后，我们来看Linux常见网络性能指标

Linux网络性能指标

对于网络性能优化的目标，总的来说就是降低网络延迟（RTT），提高吞吐量（BPS、PPS）。
而对应于性能指标，总的来说，我们通常用带宽、吞吐量、延时、PPS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或者B/s（字节/秒）。吞吐量受带宽限制，而吞吐量/带宽，就是该网络的使用率
  • 延时：表示从网络请求发出后，直到收到响应所需的时间延迟。在不同场景中，这一指标可能会有不同的含义，比如可以TCP三次握手延时（即建立连接所需时间）、一个数据包往返所需时间（RTT）
  • PPS：是Packet Per Second（包/秒）的缩小，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

除此之外，如丢包率（丢包百分比）、并发连接数（TCP连接数量）、重传率（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。

从网络模型分层的视角看，其实底层是其上方各层的基础，底层性能也决定了高层性能。接下来我们从下到上，来理解每层的性能指标有哪些

  • 网络接口层、网络层：主要负责网络包的封装、寻址、路由、发送和接口，每秒可处理的网络包数（PPS），就是它们最重要的性能指标（特别是在小包的情况下）
  • 传输层：主要负责网络传输，吞吐量（BPS）、连接数以及延迟，就是最重要的性能指标
  • 应用层：更需要关注吞吐量（BPS）、QPS以及延迟等指标

总结

本文主要讲了Linux网络常见性能指标，通过以下脑图可以有个整体上的认识 理解Linux网络性能指标 - 图3

参考链接