带宽、延时、吞吐率、PPS 这些都是啥？
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2020-12-18 07:59
应用程序要发送数据包时，通常是通过 socket 接口，于是就会发生系统调用，把应用层的数据拷贝到内核里的 socket 层，接着由网络协议栈从上到下逐层处理后，最后才会送到网卡发送出去。
而对于接收网络包时，同样也要经过网络协议逐层处理，不过处理的方向与发送数据时是相反的，也就是从下到上的逐层处理，最后才送到应用程序。
网络的速度往往跟用户体验是挂钩的，那我们又该用什么指标来衡量 Linux 的网络性能呢？以及如何分析网络问题呢？
这次，我们就来说这些。
性能指标有哪些？
通常是以 4 个指标来衡量网络的性能，分别是带宽、延时、吞吐率、PPS（Packet Per Second），它们表示的意义如下：
带宽，表示链路的最大传输速率，单位是 b/s （比特 / 秒），带宽越大，其传输能力就越强。
延时，表示请求数据包发送后，收到对端响应，所需要的时间延迟。不同的场景有着不同的含义，比如可以表示建立 TCP 连接所需的时间延迟，或一个数据包往返所需的时间延迟。
吞吐率，表示单位时间内成功传输的数据量，单位是 b/s（比特 / 秒）或者 B/s（字节 / 秒），吞吐受带宽限制，带宽越大，吞吐率的上限才可能越高。
PPS，全称是 Packet Per Second（包 / 秒），表示以网络包为单位的传输速率，一般用来评估系统对于网络的转发能力。
当然，除了以上这四种基本的指标，还有一些其他常用的性能指标，比如：
网络的可用性，表示网络能否正常通信；
并发连接数，表示 TCP 连接数量；
丢包率，表示所丢失数据包数量占所发送数据组的比率；
重传率，表示重传网络包的比例；
你可能会问了，如何观测这些性能指标呢？不急，继续往下看。
网络配置如何看？
要想知道网络的配置和状态，我们可以使用 ifconfig 或者 ip 命令来查看。
这两个命令功能都差不多，不过它们属于不同的软件包，ifconfig 属于 net-tools 软件包，ip 属于 iproute2 软件包，我的印象中 net-tools 软件包没有人继续维护了，而 iproute2 软件包是有开发者依然在维护，所以更推荐你使用 ip 工具。
学以致用，那就来使用这两个命令，来查看网口 eth0 的配置等信息：
虽然这两个命令输出的格式不尽相同，但是输出的内容基本相同，比如都包含了 IP 地址、子网掩码、MAC 地址、网关地址、MTU 大小、网口的状态以及网路包收发的统计信息，下面就来说说这些信息，它们都与网络性能有一定的关系。
第一，网口的连接状态标志。其实也就是表示对应的网口是否连接到交换机或路由器等设备，如果 ifconfig 输出中看到有 RUNNING，或者 ip 输出中有 LOWER_UP，则说明物理网路是连通的，如果看不到，则表示网口没有接网线。
第二，MTU 大小。默认值是 1500 字节，其作用主要是限制网络包的大小，如果 IP 层有一个数据报要传，而且数据帧的长度比链路层的 MTU 还大，那么 IP 层就需要进行分片，即把数据报分成干片，这样每一片就都小于 MTU。事实上，每个网络的链路层 MTU 可能会不一样，所以你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
第三，网口的 IP 地址、子网掩码、MAC 地址、网关地址。这些信息必须要配置正确，网络功能才能正常工作。
第四，网路包收发的统计信息。通常有网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况的信息，如果 TX（发送） 和 RX（接收） 部分中 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，则说明网络发送或者接收出问题了，这些出错统计信息的指标意义如下：
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（这个缓冲区是在内核内存中，更具体一点是在网卡驱动程序里），但因为系统内存不足等原因而发生的丢包；
overruns 表示超限数据包数，即网络接收/发送速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理，而导致的丢包，因为过多的数据包挤压在 Ring Buffer，这样 Ring Buffer 很容易就溢出了；
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 表示冲突、碰撞数据包数；
ifconfig 和 ip 命令只显示的是网口的配置以及收发数据包的统计信息，而看不到协议栈里的信息，那接下来就来看看如何查看协议栈里的信息。
socket 信息如何查看？
我们可以使用 netstat 或者 ss，这两个命令查看 socket、网络协议栈、网口以及路由表的信息。
虽然 netstat 与 ss 命令查看的信息都差不多，但是如果在生产环境中要查看这类信息的时候，尽量不要使用 netstat 命令，因为它的性能不好，在系统比较繁忙的情况下，如果频繁使用 netstat 命令则会对性能的开销雪上加霜，所以更推荐你使用性能更好的 ss 命令。
从下面这张图，你可以看到这两个命令的输出内容：
可以发现，输出的内容都差不多， 比如都包含了 socket 的状态（State）、接收队列（Recv-Q）、发送队列（Send-Q）、本地地址（Local Address）、远端地址（Foreign Address）、进程 PID 和进程名称（PID/Program name）等。
接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）比较特殊，在不同的 socket 状态。它们表示的含义是不同的。
当 socket 状态处于 Established时：
Recv-Q 表示 socket 缓冲区中还没有被应用程序读取的字节数；
Send-Q 表示 socket 缓冲区中还没有被远端主机确认的字节数；
而当 socket 状态处于 Listen 时：
Recv-Q 表示全连接队列的长度；
Send-Q 表示全连接队列的最大长度；
在 TCP 三次握手过程中，当服务器收到客户端的 SYN 包后，内核会把该连接存储到半连接队列，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包，接着客户端会返回 ACK，服务端收到第三次握手的 ACK 后，内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的完全的连接，并将其增加到全连接队列 ，等待进程调用 accept() 函数时把连接取出来。
也就说，全连接队列指的是服务器与客户端完了 TCP 三次握手后，还没有被 accept() 系统调用取走连接的队列。
那对于协议栈的统计信息，依然还是使用 netstat 或 ss，它们查看统计信息的命令如下：
ss 命令输出的统计信息相比 netsat 比较少，ss 只显示已经连接（estab）、关闭（closed）、孤儿（orphaned） socket 等简要统计。
而 netstat 则有更详细的网络协议栈信息，比如上面显示了 TCP 协议的主动连接（active connections openings）、被动连接（passive connection openings）、失败重试（failed connection attempts）、发送（segments send out）和接收（segments received）的分段数量等各种信息。
网络吞吐率和 PPS 如何查看？
可以使用 sar 命令当前网络的吞吐率和 PPS，用法是给 sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如
sar -n DEV，显示网口的统计数据；
sar -n EDEV，显示关于网络错误的统计数据；
sar -n TCP，显示 TCP 的统计数据
比如，我通过 sar 命令获取了网口的统计信息：
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率，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。
对于带宽，我们可以使用 ethtool 命令来查询，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（bit）。如下你可以看到， eth0 网卡就是一个千兆网卡：
$ ethtool eth0 | grep Speed
Speed: 1000Mb/s
连通性和延时如何查看？
要测试本机与远程主机的连通性和延时，通常是使用 ping 命令，它是基于 ICMP 协议的，工作在网络层。
比如，如果要测试本机到 192.168.12.20 IP 地址的连通性和延时：
显示的内容主要包含 icmp_seq（ICMP 序列号）、TTL（生存时间，或者跳数）以及 time （往返延时），而且最后会汇总本次测试的情况，如果网络没有丢包，packet loss 的百分比就是 0。
不过，需要注意的是，ping 不通服务器并不代表 HTTP 请求也不通，因为有的服务器的防火墙是会禁用 ICMP 协议的。