【DevOps】Linux 内核网络子系统全面指南与性能调优

一、Linux 内核网络子系统

1. Netfilter

主要特性

工作流程

2. Traffic Control (TC)

主要特性

工作流程

3. Socket

主要特性

工作流程

二、内核参数优化

1. net.ipv4.tcp_window_scaling

2. net.core.netdev_max_backlog

3. net.ipv4.tcp_rmem 和 net.ipv4.tcp_wmem

4. net.ipv4.tcp_fin_timeout

5. net.core.rmem_default 和 net.core.wmem_default

一、Linux 内核网络子系统

Linux 内核的网络子系统是其架构中非常复杂和强大的部分，负责处理所有网络相关的操作。这些操作包括数据包过滤、地址转换、流量控制、服务质量保证，以及为应用程序提供网络通信的接口。下面我们详细介绍几个关键的网络子系统：Netfilter、Traffic Control 和 Socket。

1. Netfilter

Netfilter 是 Linux 内核中一个非常重要的网络子系统，主要用于在内核中实现包过滤、网络地址转换 (NAT) 和其他网络相关的钩子功能。Netfilter 提供了一系列的钩子（hook），这些钩子位于网络协议栈的不同位置，可以捕获网络协议栈中的数据包，进行处理或决定数据包的去向。

主要特性

数据包过滤：Netfilter 通过与 iptables（在较新的内核中是 nftables）的配合，可以实现包括但不限于 IP 地址、端口号、协议类型等条件的数据包过滤。
网络地址转换 (NAT)：Netfilter 支持源 NAT (SNAT)、目的 NAT (DNAT) 和端口映射，这对于路由器和防火墙的功能是非常关键的。
状态跟踪：Netfilter 可以跟踪每个网络连接的状态，这使得它可以识别和处理每个连接的数据包，如区分新连接、已建立的连接和结束的连接。
用户空间通信：Netfilter 可以通过 nfnetlink 与用户空间程序通信，允许用户空间程序动态地更改过滤规则或收集网络状态信息。

工作流程

Netfilter 提供了五个主要的钩子点，它们位于网络协议栈的不同层次：

NF_IP_PRE_ROUTING：在路由决策之前，对进入的数据包进行处理。
NF_IP_LOCAL_IN：在确定数据包目的地为本机后进行处理。
NF_IP_FORWARD：在进行路由转发决策后，对需要转发的数据包进行处理。
NF_IP_LOCAL_OUT：在本机产生的数据包即将发送出去前进行处理。
NF_IP_POST_ROUTING：在数据包即将离开网卡前进行处理。

2. Traffic Control (TC)

Traffic Control (TC) 是 Linux 内核的另一个网络子系统，用于实现网络流量控制和服务质量（QoS）。TC 允许 Linux 内核对网络接口的数据包发送队列进行控制，包括带宽限制、延迟管理和数据包排队策略。

主要特性

带宽管理：通过诸如令牌桶过滤器 (TBF)、随机早期检测 (RED) 等机制，控制数据流的速率。
排队策略：包括 FIFO、Stochastic Fairness Queueing (SFQ)、Hierarchical Token Bucket (HTB) 等，用于控制数据包的发送顺序和方式。
分类：TC 使用分类器将数据包分流到不同的类和队列，允许对不同类型的流量实施不同的控制策略。
过滤：通过过滤器确定数据包属于哪个类，过滤器可以基于多种条件，如协议、端口号、IP 地址等。

工作流程

分类：数据包首先通过分类器进行分类，判定进入哪个类。
排队：每个类有自己的队列，数据包按照策略进入相应的队列。
调度：调度器根据策略从队列中取出数据包发送。

3. Socket

Socket 是 Linux 内核提供的用于网络通信的基本接口，属于网络子系统中的应用层接口部分。Socket 抽象了网络通信的细节，使应用程序可以通过标准的接口发送和接收数据，而无需关心底层网络协议的具体实现。

主要特性

多种类型：支持多种类型的 Socket，包括流式套接字 (SOCK_STREAM)、数据报套接字 (SOCK_DGRAM) 和原始套接字 (SOCK_RAW)。
多种协议：支持多种网络协议，如 IPv4、IPv6、TCP、UDP 等。
阻塞与非阻塞操作：Socket 可以在阻塞模式和非阻塞模式下工作，允许应用根据需要选择合适的工作方式。
安全特性：支持通过 SSL/TLS 等协议提供加密通信。

工作流程

创建 Socket：应用程序通过 socket() 系统调用创建一个 Socket。
配置 Socket：通过各种系统调用 (如 bind(), listen(), connect()) 配置 Socket 的属性和行为。
数据传输：使用 send() 和 recv() (或 write() 和 read()) 系统调用进行数据的发送和接收。
关闭 Socket：通过 close() 系统调用关闭 Socket。

这些子系统合作，形成了 Linux 内核中强大而灵活的网络功能，支持从简单的数据传输到复杂的网络应用。

二、内核参数优化

在 Linux 系统中，通过调整内核参数来优化网络性能是一种常见且有效的方法。内核参数可以控制 TCP/IP 栈和其他网络子系统的行为，从而改善网络吞吐量、降低延迟、增加连接的稳定性和响应速度。下面是对您提到的两个参数的详细介绍，以及其他一些常用的内核参数和它们的优化作用。

1. net.ipv4.tcp_window_scaling

参数说明：net.ipv4.tcp_window_scaling 是一个布尔值参数，用于启用或禁用 TCP 窗口缩放功能。
作用：TCP 窗口缩放是一种机制，允许 TCP 连接动态调整其接收窗口大小，从而适应不同的网络延迟和带宽条件。这个功能在高延迟或高带宽的网络环境（如卫星通信、长距离光纤连接）中尤其重要，可以显著提高数据传输效率。
默认值：通常默认为 1（启用）。
调整建议：
- 在网络环境稳定且网络延迟较低的局域网环境中，这个选项的效果不明显，但在宽带较大的网络中，启用窗口缩放可以提高传输性能。
- 如果要启用 TCP 窗口缩放，确保 sysctl 设置为 net.ipv4.tcp_window_scaling = 1。

2. net.core.netdev_max_backlog

参数说明：net.core.netdev_max_backlog 设置了在内核处理之前，网络设备驱动能够队列的接收包的最大数量。
作用：这个参数决定了网络设备接收队列的最大长度，对于高速网络或是在突发大量网络请求时，增加这个参数的值可以减少因队列溢出而导致的丢包，从而提高网络性能。
默认值：默认值可能在 1000 左右，具体值依据不同的内核和系统配置而变化。
调整建议：
- 在高速网络环境中或大量并发连接的服务器上，可以适当增加这个值，例如设置为 2000 或更高，如 3000。
- 修改方式：sysctl -w net.core.netdev_max_backlog=2000 或通过编辑 /etc/sysctl.conf 文件添加 net.core.netdev_max_backlog = 2000 并重新加载配置 sysctl -p。

3. net.ipv4.tcp_rmem 和 net.ipv4.tcp_wmem

参数说明：
- net.ipv4.tcp_rmem：这个参数控制 TCP 接收缓冲区的最小值、默认值和最大值，单位是字节。
- net.ipv4.tcp_wmem：这个参数控制 TCP 发送缓冲区的最小值、默认值和最大值，单位是字节。
作用：调整这些参数可以优化 TCP 的缓冲区大小，适应不同的网络环境，特别是在高带宽和高延迟的网络中，增大这些值可以提高网络性能。
默认值：通常形式为 4096 87380 6291456。
调整建议：
- 对于高性能服务器，可以将这些值调整为更大，例如 4096 65536 16777216（对应最小、默认、最大）。
- 修改方式：
```
sysctl -w net.ipv4.tcp_rmem="4096 65536 16777216"
sysctl -w net.ipv4.tcp_wmem="4096 65536 16777216"
```

4. net.ipv4.tcp_fin_timeout

参数说明：net.ipv4.tcp_fin_timeout 指定了等待一个 TCP 连接完全终止前的超时时间，单位是秒。
作用：这个参数影响 TIME-WAIT 状态的持续时间。减少这个值可以快速回收套接字，但是太小可能导致旧的重复数据段出现在新的连接中。
默认值：通常默认为 60 秒。
调整建议：
- 对于处理大量短连接的服务器，可以适当减少这个值，例如设置为 30 或更低，如 15。
- 修改方式：sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30

5. net.core.rmem_default 和 net.core.wmem_default

参数说明：
- net.core.rmem_default：指定接收套接字缓冲区的默认大小（字节）。
- net.core.wmem_default：指定发送套接字缓冲区的默认大小（字节）。
作用：这些参数控制非 TCP 套接字的默认缓冲区大小，对于 UDP 通信等场景下，增大这些值可以提高性能。
默认值：通常为 212992。
调整建议：
- 对于需要大量 UDP 通信的应用，可以增加这些值，如设置为 262144 或更大。
- 修改方式：
```
sysctl -w net.core.rmem_default=262144
sysctl -w net.core.wmem_default=262144
```