Linux性能優化實戰：系統的軟中斷CPU使用率升高，我該怎麽辦？（10）
一、壞境準備
1、拓撲圖
2、安裝包
在第9節的基礎上
在VM2上安裝hping3依奈包
wget http://www.tcpdump.org/release/libpcap-1.9.0.tar.gz tar xf libpcap-1.9.0.tar.gz cd libpcap-1.9.0/ ./configure && make && make install [[email protected] pcap]# pwd /root/libpcap-1.9.0/pcap [[email protected] pcap]# cp -a bpf.h /usr/include/net/bpf.h
在VM2上安裝hping3的安裝
yum install gcc libpcap-devel tcl-devel -y git clone https://github.com/antirez/hping.git cd hping ./configure && make
3、實驗環境準備
1、運行案例終端一
[[email protected] ~]# docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx docker: Error response from daemon: Conflict. The container name "/nginx" is already in use by container "f78d08880b62aa97fbbd8b3a545af4bcd849b05ecca7493874028fcaffaffc41". You have to remove (or rename) that container to be able to reuse that name. See ‘docker run --help‘. [[email protected] ~]# docker ps -l CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES cf7abb7672d9 feisky/app:iowait-fix2 "/app" 25 hours ago Exited (255) 5 hours ago [[email protected] ~]# docker rm -f app app [[email protected] ~]# docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx 6545b4661b2f3c8ef0eba73706c2d1bf7a0b5469272b77ed172a4f4b92b068b9
2、確認nginx正常啟動（終端二）
curl http://192.168.118.97/ <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>Welcome to nginx!</title>
3、運行 hping3 命令，來模擬 Nginx 的客戶端請求（終端二）
[[email protected] hping]# pwd /root/hping # -S 參數表示設置 TCP 協議的 SYN（同步序列號），-p 表示目的端口為 80 # -i u100 表示每隔 100 微秒發送一個網絡幀 # 註：如果你在實踐過程中現象不明顯，可以嘗試把 100 調小，比如調成 10 甚至 1 [[email protected] hping]# ./hping3 -S -p 80 -i u100 192.168.118.97 HPING 192.168.118.97 (eth0 192.168.118.97): S set, 40 headers + 0 data bytes len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=0 win=29200 rtt=34.8 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=1 win=29200 rtt=37.4 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=2 win=29200 rtt=36.1 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=3 win=29200 rtt=35.5 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=4 win=29200 rtt=34.1 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=5 win=29200 rtt=32.2 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=6 win=29200 rtt=31.7 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=7 win=29200 rtt=30.6 ms len=46 ip=192.168.118.97 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=8 win=29200 rtt=1027.6 ms ...
二、分析過程
1、查看系統整體的資源使用情況(終端一)
# top 運行後按數字 1 切換到顯示所有 CPU top - 16:51:32 up 4:54, 2 users, load average: 0.01, 0.03, 0.05 Tasks: 103 total, 2 running, 101 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu(s): 0.0 us, 0.2 sy, 0.0 ni, 78.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 21.2 si, 0.0 st KiB Mem : 8056848 total, 7167580 free, 399752 used, 489516 buff/cache KiB Swap: 2097148 total, 2097148 free, 0 used. 7327620 avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 14 root 20 0 0 0 0 R 3.0 0.0 8:14.97 ksoftirqd/1 9 root 20 0 0 0 0 S 1.0 0.0 2:10.35 rcu_sched 9395 root 20 0 419132 32876 14612 S 1.0 0.4 5:19.33 containerd 9753 mysql 20 0 1119708 182720 5796 S 0.7 2.3 1:25.85 mysqld 7508 root 20 0 227036 6348 4944 S 0.3 0.1 1:09.48 vmtoolsd 16355 root 20 0 0 0 0 S 0.3 0.0 0:00.39 kworker/0:1 16358 root 20 0 161996 2224 1564 R 0.3 0.0 0:00.09 top 1 root 20 0 43640 4024 2552 S 0.0 0.0 0:03.60 systemd 2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.04 kthreadd 3 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:03.80 ksoftirqd/0 ...
根據上一期的內容，既然軟中斷可能有問題，那你先要知道究竟是哪類軟中斷的問題？
1、是系統運行以來的累積中斷次數？
不過，這裏的各類軟中斷次數，又是什麽時間段裏的次數呢？它是系統運行以來的累積中斷次數，
所以我們直接查看文件內容，得到的只是累積中斷次數，對這裏的問題並沒有直接參考意義，因為這些中斷次數的變化速率才是我們需要關註的
2、觀察各種軟中斷類型的次數(終端一)
[[email protected] ~]# watch -d cat /proc/softirqs
CPU0 CPU1
HI: 1 0
TIMER: 928050 4221133
NET_TX: 2670 12
NET_RX: 102 24694097
BLOCK: 13635 0
BLOCK_IOPOLL: 0 0
TASKLET: 56 1535
SCHED: 477868 1155566
HRTIMER: 0 0
RCU: 747103 1976371
1、通過/proc/softirqs 文件內容的變化情況，你可以發現， TIMER（定時中斷）、NET_RX（網絡接收）、SCHED（內核調度）、RCU（RCU 鎖）等這幾個軟中斷都在不停變化。
2、其中NET_RX，也就是網絡數據包接收軟中斷的變化速率最快。而其他幾種類型的軟中斷，是保證 Linux 調度、時鐘和臨界區保護這些正常工作所必需的，所以它們有一定的變化倒是正常的。
那麽接下來，我們就從網絡接收的軟中斷著手，繼續分析，既然是網絡接收的軟中斷，第一步應該是觀察系統的網絡接收情況。這裏你可能想起很多網絡工具，不過我推薦今天的主人工sar
3、觀察系統的網絡接收情況(終端一)
sar可以用來查看系統的網絡首發情況，還有一個好處，不可以觀察網絡收發的吞吐量(BPS,每秒收發的字節數)，還可以觀察網絡收發的PPS，即每秒收發的網絡幀數
# -n DEV 表示顯示網絡收發的報告，間隔 1 秒輸出一組數據 [[email protected] ~]# sar -n DEV 1 Linux 3.10.0-957.5.1.el7.x86_64 (luoahong) 05/06/2019 _x86_64_ (2 CPU) 03:39:02 PM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil 03:39:03 PM br-ad2616372f01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 03:39:03 PM eth0 4456.00 2231.00 261.09 130.85 0.00 0.00 0.00 0.21 03:39:03 PM lo 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 03:39:03 PM veth502c523 2227.00 4456.00 126.14 234.98 0.00 0.00 0.00 0.02 03:39:03 PM docker0 2227.00 4456.00 95.69 234.98 0.00 0.00 0.00 0.00 03:39:03 PM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil 03:39:04 PM br-ad2616372f01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 03:39:04 PM eth0 4392.00 2190.00 257.34 128.99 0.00 0.00 0.00 0.21 03:39:04 PM lo 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 03:39:04 PM veth502c523 2190.00 4380.00 124.04 230.98 0.00 0.00 0.00 0.02 03:39:04 PM docker0 2190.00 4380.00 94.10 230.98 0.00 0.00 0.00 0.00
sar命令圖解
我們具體來看輸出的內容，你可以發現：每秒接收的網絡幀數遠大於發送的網絡幀數
既然懷疑是網絡中斷的問題，我們還是重點來看eth0接收的BPS很小，稍微計算一下，說明平均每個網絡幀數只有54字節，這顯然是很小的網絡幀，這也就是我們通常所說的小包問題
4、這是一個什麽樣的網絡幀？從哪裏發過來的呢？(終端一)
那麽，有沒有辦法知道這是一個什麽樣的網絡幀，以及從哪裏發過來的呢？
# -i eth0 只抓取 eth0 網卡，-n 不解析協議名和主機名 # tcp port 80 表示只抓取 tcp 協議並且端口號為 80 的網絡幀 $ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80 15:37:44.411911 IP 192.168.118.105.64379 > 192.168.118.97.http: Flags [R], seq 1503793557, win 0, length 0 15:37:44.411919 IP 192.168.118.105.64380 > 192.168.118.97.http: Flags [R], seq 395003338, win 0, length 0 15:37:44.413313 IP 192.168.118.105.64382 > 192.168.118.97.http: Flags [S], seq 1080244426, win 512, length 0 15:37:44.413335 IP 192.168.118.105.64381 > 192.168.118.97.http: Flags [R], seq 176434656, win 0, length 0 15:37:44.413340 IP 192.168.118.105.64383 > 192.168.118.97.http: Flags [S], seq 2026187932, win 512, length 0 15:37:44.413347 IP 192.168.118.105.64384 > 192.168.118.97.http: Flags [S], seq 860129571, win 512, length 0 15:37:44.413431 IP 192.168.118.97.http > 192.168.118.105.64382: Flags [S.], seq 2546910072, ack 1080244427, win 29200, options [mss 1460], length 0 15:37:44.413547 IP 192.168.118.97.http > 192.168.118.105.64383: Flags [S.], seq 1083250845, ack 2026187933, win 29200, options [mss 1460], length 0 15:37:44.413604 IP 192.168.118.97.http > 192.168.118.105.64384: Flags [S.], seq 3306737583, ack 860129572, win 29200, options [mss 1460], length 0 15:37:44.417237 IP 192.168.118.105.64385 > 192.168.118.97.http: Flags [S], seq 311506147, win 512, length 0 ...
從tcpdump的輸出中，你可以發現
1、192.168.118.105.64382 > 192.168.118.97 表示網絡幀從192.168.118.105的64382端口到192.168.118.97的80端口，也就是運行hping3 機器的 64379 端口發送網絡幀，
2、目的位Nginx所在機器的80端口
3、Flags [S] 則表示這是一個 SYN 包
再加上前面用 sar 發現的， PPS 超過 12000 的現象，現在我們可以確認，這就是從192.168.118.105 這個地址發送過來的SYN FLOOD 攻擊
三、小結
到這裏，我們已經做了全套的性能診斷和分析。
1、從系統的軟中斷使用率高這個現象出發，
2、通過觀察/proc/softirqs 文件的變化情況，判斷出軟中斷類型是網絡接收中斷
3、再通過 sar 和 tcpdump ，確認這是一個 SYN FLOOD問題
4、SYN FLOOD 問題最簡單的解決方法，就是從交換機或者硬者硬件防火墻中封掉來源 IP，這樣 SYN FLOOD 網絡絡幀就不會發送到服務器中
軟中斷CPU使用率升高是一種很常見的性能問題，雖然軟中斷的類型很多，但實際生產中，我們遇到的性能瓶頸大多數是網絡收發類型的軟中斷，特別是網絡接收的軟中斷
在碰到這類問題時，你可以借用sar、tcpdump等工具，做進一步分析，不要害怕網絡性能，後面我們會教你更多的分析方法
四、思考題
1、你所碰到的軟中斷問題。
我的理解比較簡單粗暴, 硬中斷是硬件產生的,比如鍵盤、鼠標的輸入，硬盤的寫入讀取、網卡有數據了；軟中斷是軟件產生的，比如程序內的定時器、[文中提到的RCU鎖]。
再加上今天的上半部下半部，更好的理解了網卡的處理實際是有硬中斷和軟中斷的。
2、你所碰到的軟中問題是哪種類型
有，且是血淋淋的教訓。
之前的c程序用到了別人寫的動態庫[如:lib.a]，在物理機上，進程的cpu利用率在0%；而切換到了雲服務器，即使空載，單進程的cpu利用率都有30%+。
以前沒經驗嘛,各種自查,無結果,但是自己的進程cpu利用率又那麽高,總是不安心.
後來才通過vmstat 檢測到系統的軟中斷每秒有100W+次.
最後各自百度,找人,才發現是那個動態庫在處理網絡收發消息時,使用了usleep(1)來休息,每次休息1納秒,單次中斷的耗時都不止1納秒.
3、是不是這個案例中的小包問題？
如果是現在,我會如下分析:
1.檢測是哪個線程占用了
cpu: top -H -p XX 1 / pidstat -wut -p XX 1
2.在進程中打印各線程號. 找到是哪個線程.[ 此過程也可以省略 但可以快速定位線程]
3.第一步應該可以判斷出來中斷數過高. 再使用 cat /proc/softirqs 查看是哪種類型的中斷數過高.
4.不知道perf report -g -p XX 是否可以定位到具體
5.最終還是要查看源碼,定位具體的位置,並加以驗證.
4、你又是怎麽分析它們的來源並解決的呢？
本期又學到新東西了:
1.sar 原來可以這麽方便的看各網卡流量,甚至是網絡幀數.
到目前為止,我都是用的最原始的方法:在網上找的一個腳本,分析ifconfig中的數據,來統計某個網卡的流量.一來需要指定某個網卡(默認eth0),二來顯示的數據不太準確且不友好(sleep 1做差值).
2.nping3 居然可以用來模擬SYN FLOOD. (不要用來做壞事哦)
3.tcpdump 之前有所耳聞. 用的不多. 平常有解包需求,都是在windows下用wireshark,畢竟是圖形界面.
Linux性能優化實戰：系統的軟中斷CPU使用率升高，我該怎麽辦？（10）