Узкие места сетевой подсистемы Linux. Тюнинг сети в Linux. Настройка производительности сети в модели NAPI и с прерываниями.

Кольцевой буфер

Кольцевые буферы, совместно используются драйвером устройства и сетевой картой. TX – есть передача данных, а RX – получение данных в кольцевом буфере. Как следует из названия, переполнение буфера просто перезаписывает существующие данные. Есть два способа переместить данные от сетевой карты до ядра: аппаратные прерывания и программные прерывания, названные SoftIRQs.

Кольцевой буфер RX используется, чтобы сохранить входящие пакеты, пока они не могут быть обработаны драйвером устройства. Драйвер устройства опустошает буфер RX, обычно через SoftIRQs, который помещает входящие пакеты в структуру данных ядра, названную sk_buff или «skb», чтобы начать свой путь через ядро и до приложения, которому принадлежит соответствующий сокет. Кольцевой буфер TX используется для хранения исходящих пакетов, которые предназначенные для отправки по проводам.

Эти кольцевые буферы находятся у основания стека и являются критическим моментом, в который может произойти удаление (drop) пакетов, что негативно влияет на производительность сети.

Прерывания и обработчики прерываний

Прерывания от аппаратных средств известны как прерывания «top-half».

Сетевые карты, как правило, работают с кольцевыми буферами (DMA ring buffer) организованными в памяти, разделяемой с процессором. Каждый входящий пакет размещается в следующем доступном буфере кольца. (DMA — Direct Memory Access (Прямой доступ к памяти) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью, в котором центральный процессор (ЦП) не участвует). После этого требуется сообщить системе о появлении нового пакета и передать данные дальше, в специально выделенный буфер (Linux выделяет такие буферы для каждого пакета). Для этой цели в Linux используется механизм прерываний: прерывание генерируется всякий раз, когда новый пакет поступает в систему. Чаще используется отложенные прерывания. В ядро Linux начиная с версии ядра 2.6 был добавлен так называемый NAPI (New API), в котором метод прерываний сочетается с методом опроса. Сначала сетевая карта работает в режиме прерываний, но как только пакет поступает на сетевой интерфейс, она регистрирует себя в poll-списке и отключает прерывания. Система периодически проверяет список на наличие новых устройств и забирает пакеты для дальнейшей обработки. Как только пакеты обработаны, карта будет удалена из списка, а прерывания включатся снова.

Жесткие прерывания можно увидеть в /proc/interrupts, где у каждой очереди есть vector прерывания в 1-м столбце. Каждой очереди RX и TX присвоен уникальный vector, который сообщает обработчику прерываний, относительно какого NIC/queue пришло прерывание. Столбцы представляют количество входящих прерываний:

SoftIRQs

Иизвестны как прерывания «bottom-half», запросы программного прерывания (SoftIRQs), являются подпрограммами ядра, которые планируется запустить в то время, когда другие задачи не должны быть прерваны. Цель SoftIRQ состоит в извлечении данных из кольцевых буферов. Эти подпрограммы, выполненные в форме процессов ksoftirqd/cpu-number и, вызывают специфичные для драйвера функции кода.

После перемещения данных от драйвера к ядру, трафик двигатется вверх к сокету приложения.

SoftIRQs можно контролировать следующим образом. Каждый столбец есть ЦП:

Поиск узкого места

Отбрасывание пакетов и переполнени границ (packet drops и overruns) обычно происходит, когда буфер RX сетевой карты не может достаточно быстро опустошиться ядром. Когда скорость, с которой данные поступают из сети превышает скорость, с которой ядро забирает на обработку пакеты, сетевая карта начинает отбрасывать входящие пакеты, т.к. буфер NIC (сетевой карты) полон, и увеличивает счетчик удаления.Соответствующий счетчик можно увидеть в ethtool статистике. Основные критерии здесь — прерывания и SoftIRQs.

Для примера вывод статистики ethtool:

Существуют различные инструменты, доступные для поиска проблемной области. Следует исследовать:

• Уровень встроенного ПО адаптера

— Следим за статистикой ethtool -S ethX

• Уровень драйвера адаптера

• Ядро Linux, IRQs или SoftIRQs

— Проверяем /proc/interrupts и /proc/net/softnet_stat

• Уровни протокола IP, TCP, UDP

— Используем netstat -s и смотрим счетчики ошибок

Вот некоторые типичные примеры узких мест:

• Прерывания (IRQs) неправильно сбалансированы. В некоторых случаях служба irqbalance может работать неправильно или не работает вообще. Проверьте /proc/interrupts и удостоверьтесь, что прерывания распределены на разные ядра ЦП. Обратитесь к irqbalance руководству, или вручную сбалансируйте IRQs. В следующем примере прерывания становятся обработанными только одним процессором:

• Посмотрите, увеличивается ли какая-либо из колонок помимо 1-й колонки в /proc/net/softnet_stat. В следующем примере счетчик большой для CPU0, и budget должен быть увеличен:

• SoftIRQs не может получать достаточное количество процессорного времени для опроса адаптера. Используйте инструменты, такие как sar, mpstat или top, чтобы определить, что отнимает много процессорного времени.
• Используйте ethtool -S ethX, чтобы проверить определенный адаптер:

• Увеличение приемного буфера сокета приложения или использование буфера автоподстройки.
• Использование большого/малого TCP или UDP размера пакетов.

Настройка производительности

SoftIRQ

Если выполнение программных прерываний не выполняются достаточно долго, то темп роста входящих данных может превысить возможность ядра опустошить буфер. В результате буферы NIC переполнятся, и трафик будет потерян. Иногда, необходимо увеличить длительность работы SoftIRQs (программных прерываний) с CPU. За это отвечает netdev_budget. Значение по умолчанию 300. Параметр заставит процесс SoftIRQ обработать 300 пакетов от NIC перед тем как отпустить CPU:

Это значение может быть удвоено, если 3-й столбец в /proc/net/softnet_stat увеличивается, что указывает, на то, что SoftIRQ не получил достаточно процессорного времени. Маленькие инкременты нормальны и не требуют настройки.

IRQ Balance

Балансировщик прерываний — это сервис, который может автоматически сбалансировать прерывания между ядрами процессора, основанного на реальном времени состояния системы.

Прерывания также можно раскидать по ядрам вручную.

Чтобы это сделать нужно выполнить команду echo N > /proc/irq/X/smp_affinity, где N — маска процессора (определяет какому процессору достанется прерывание), а X — номер прерывания, виден в первом столбце вывода /proc/interrupts. Чтобы определить маску процессора, нужно возвести 2 в степень cpu_N (номер процессора) и перевести в шестнадцатиричную систему. При помощи bc вычисляется так: echo «obase=16; $[2 ** $cpu_N]» | bc. Например:

Для того, чтобы при старте системы прерывания сами настраивались, можно сделать скрипт и настроить его запуск /etc/rc.d/rc.local.

 Ethernet flow control

Паузы фреймов — управление потоком уровня Ethernet между адаптером и портом коммутатора. Адаптер передаст “кадры паузы”, когда RX или буферы TX станут полными. Коммутатор остановит поток данных в течение определенного промежутка времени в порядке миллисекунд. Этого времени обычно достаточно, чтобы позволить ядру опустошить интерфейсные буферы, таким образом предотвращая переполнение буфера и последующие пакетные отбрасывания или переполнения. В идеале, коммутатор буферизует входящие данные в течение такой паузы.

Однако, важно понимать, что этот уровень контроля потока только между коммутатором и адаптером. Если пакеты отброшены, более высокие уровни, такие как TCP или приложение в случае UDP и/или многоадресно переданы, должен инициировать восстановление.

Важно! Фреймы паузы и flow control (управление потоком) должны быть включены и на NIC и на порте коммутатора.

Interrupt Coalescence (отложенные прерывания)

Отложенные прерывания рассказывают нам о количестве трафика, который будет получать сетевой интерфейс, или времи, которое проходит после приема трафика, перед выдачей жесткого прерывания. Слишком ранние прерывания или слишком частые приводят к снижению производительности системы, так как ядро останавливается (или «перебивает») запущенное задание для обработки запроса прерывания от аппаратного обеспечения. Слишком поздее прерывание может привести к тому, что пакеты достаточно долго не будут обработаны ядром с сетевой карты. Большие объемы трафика могут переписать предыдущие пакеты трафика, т.е. потеря пакетов.

Самые современные NIC и драйверы поддерживают IC, и многие позволяют драйверу автоматически модерировать количество прерываний, сгенерированных аппаратными средствами. Настройки IC обычно включают два основных компонента, время и количество пакетов. Время в мкс — сколько NIC будет ожидать прежде, чем прервать ядро, а число пакетов – сколько пакетов будет ждать в приемном буфере прежде чем сработает прерывание. Отложенные прерывания NIC можно посмотреть, используя команду ethtool -c ethX и настроить через ethtool -C ethX. Адаптивный режим позволяет карте автомодерировать IC. В адаптивном режиме, драйвер инспектирует трафик и ядро настраивает прерывания на лету, предотвращая потерю пакетов.

Следующая команда выключает адаптивный IC, и говорит адаптеру о прерывании ядра

сразу после приема любого трафика:

Очередь адаптера (The Adapter Queue)

Netdev_max_backlog — очередь в ядре Linux, где трафик хранится после получения от сетевого адаптера, но перед обработкой с помощью стеков протоколов (IP, TCP, и т.д.). Для каждого ядра процессора существует одна очередь. Очередь может расти автоматически до максимального значения, указанного в netdev_max_backlog. Функция ядра netif_receive_skb () находит соответствующий ЦП для пакета и ставит пакеты в очереди того ЦП. Если очередь для этого  процессора будет полна и уже в максимальном размере, пакеты будут отброшены. Для того, чтобы тюнить это место необходимо убедиться что оно реально нужно. В /proc/net/softnet_stat в втором столбце есть счетчик, который увеличивается когда очередь переполняется. Каждая строка файла softnet_stat представляет собой ядро процессора, начиная с CPU0.

1-й столбец — количество кадров, полученных с помощью обработчика прерывания.

2-й столбец — количество фреймов, отброшенных из-за превышения netdev_max_backlog..

3-й столбец — число раз ksoftirqd исчерпал netdev_budget или процессорное время, когда нужно было еще поработать.

В текущем выводе netdev_max_backlog не нуждается в тюнинге, т.к. очередь не переполняется и нет потерь соответственно. Если же наблюдаются приащения в второй колонке, тогде увеличиваем значение очереди и снова смотрим в этот файл. Если увеличения этого значения мы видим что скорость приращений в втором столбце уменьшается то можно еще увеличить значение backlog. Повторяем этот процесс пока перестанет расти цифры в столбце 2.

Backlog изменить можно такой командой:

Adapter RX and TX Buffer

Буфер адаптера по умолчанию обычно установлен в меньшем размере, чем максимальный. Часто, увеличить размер буфера приема RX вполне достаточно, чтобы предотвратить потери пакетов, так как это может приводит к тому, что у ядра будет немного больше времени, чтобы опустошить буфер. В результате, это может предотвратить возможные потери пакетов.

Буферы можно посмотреть так:

Тут видим что кольцевой буфер RX входящих пакетов равен 1024 дескрипторам в оперативной памяти, и можно увеличить до 8192.

Очередь передачи (Adapter Transmit Queue Length)

Длина очереди передачи определяет количество пакетов, которые могут быть поставлены в очередь перед передачей. Значение по умолчанию 1000 — обычно достаточно для сегодняшней скорости до 10 Гбит/с или даже 40 Гбит/с сетей. Однако, если число ошибок передачи увеличиваются на адаптере, то значение можно удвоить. Используйте ip -slink, чтобы увидеть, если есть какие-то потери на очереди TX для адаптера.

Увеличить длину очереди можно так:

TCP Window Scaling (масштабирование окна TCP)

Размер TCP окна (TCP Window Size) – количество октетов (начиная с номера подтверждения), которое принимающая сторона готова принять в настоящий момент без подтверждения. На стадии установления соединения рабочая станция и сервер обмениваются значениями максимального размера TCP окна (TCP Window Size), которые присутствуют в пакете. Например, если размер окна получателя равен 16384 байта, то отправитель может отправить 16384 байта без остановки. Принимая во внимание, что максимальная длина сегмента (MSS) может быть 1460 байт, то отправитель сможет передать данный объем в 12 фреймах, и затем будет ждать подтверждение доставки от получателя и информации по обновлению размера окна. Если процесс прошел без ошибок, то размер окна может быть увеличен. Таким образом, реализуется размер скользящего окна в стеке протокола TCP. В современных версиях операционных систем можно увеличить размер окна TCP Window Size и включить динамическое изменение окна в зависимости от состояния канала связи. Динамическое увеличение и уменьшение размера окна является непрерывным процессом в TCP и определяет оптимальный размер окна для каждого сеанса. В очень эффективных сетях размеры окна могут стать очень большими, потому что данные не теряются.

Масштабирование Окна TCP включено по умолчанию:

TCP буфер

После того, как сетевой трафик обрабатывается от сетевого адаптера, предпринимается попытка приема трафика непосредственно в приложение. Если это не представляется возможным, данные ставятся в очередь на буфер сокета приложения. Есть 3 структуры очереди в сокете:

sk_rmem_alloc = { counter = 121948 },

sk_wmem_alloc = { counter = 553 },

sk_omem_alloc = { counter = 0 },

где:

sk_rmem_alloc – очередь получения

sk_wmem_alloc – очередь передачи

sk_omem_alloc — out-of-order queue

Существует также sk_rcvbuf переменная, которая является пределом, измеренный в байтах, что сокет может получить. В этом случае sk_rcvbuf = 125336.

Из приведенного выше вывода можно вычислить, что очередь получения почти полна. Когда sk_rmem_alloc > sk_rcvbuf то буфер начинает рушится, т.е. наблюдаются потери пакетов. Выполните следующую команду, чтобы определить, происодит это или нет:

Если счетчик обрезки пакетов растет, то требуется тюнинг.

tcp_rmem: У настраиваемой памяти сокета есть три значения, описывающих минимальное, значение по умолчанию и максимальное значения в байтах. Чтобы просмотреть эти настройки и увеличить:

TCP Listen Backlog: отвечает за размер очереди одновременно ожидающих подключений к сокету, то есть инициированных (SYN — SYN, ACK — ACK), но еще не принятых сервером (established).

Параметр ядра net.core.somaxconn  — максимальное число открытых сокетов, ждущих соединения. Изменяем:

UDP Buffer Tuning: UDP является гораздо менее сложным, чем протокол TCP. Поскольку UDP не содержит надежности сеанса, он не несет ответственности за повторную передачу потерянных пакетов. Там не существует понятия размера окна и потерянные данные не восстанавливается протоколом. Единственная доступная настройка включает в себя увеличение размера приемного буфера. Если netstat -us показывает “packet receive errors” , попробуйте увеличить число буферов для приема. Буферы UDP могут быть настроены таким образом:

После изменения максимального размера, требуется перезапуск приложения.