Linux 网络常见监控项以及报错

2014-02-03 Monday     linux , network

本来是想将报错和监控拆开的,但是发现两者几乎是耦合的,通过监控项才能发现错误,定为错误的原因时也要依赖监控项,索性就将两者合并到了一起。

对于很多的报错,实际上你即使看到报错的信息也不清楚到底是那里报错了,或者模棱两可,甚至是误导。最好的方式是 “Show me the code” 。

在此,简单介绍一下与网络相关的调试、查看方法,当然也包括了报错相关的内容。

简介

查看网络的状态有很多中方法,如之前介绍的 网络状态查看命令 netstat VS. ss,也即使用 netlink 机制;还有 procfs 。相比来说,前者效率更高,但是后者查看会更加方便。

在此仅介绍 procfs 的相关实现,内核的相关实现在 net/core/net-procfs.c 中,所以如果对 /proc/net 下的文件内容不熟悉,可以直接查看内核中的统计项。

查看丢包

网络丢包会有多种可能,例如,交换机,上连和下连端口的流量跑满或链路有问题,那么数据包就有可能会被交换机丢掉;负载均衡设备,包括了硬件设备以及软件的负载均衡。

在此,我们仅查看本机可能导致的掉包。

操作系统处理不过来,丢弃数据

有两种情况,一是网卡发现操作系统处理不过来,丢数据包,可以读取下面的文件:

$ cat /proc/net/dev

每个网络接口一行统计数据,第 4 列(errs)是接收出错的数据包数量,第 5 列(drop)是接收不过来丢弃的数量。

第二部分是传统非 NAPI 接口实现的网卡驱动,每个 CPU 有一个队列,当在队列中缓存的数据包数量超过 net.core.netdev_max_backlog 时,网卡驱动程序会丢掉数据包,这个见下面的文件:

$ cat /proc/net/softnet_stat

每个 CPU 有一行统计数据,第二列是对应 CPU 丢弃的数据包数量。

应用程序处理不过来,操作系统丢弃

内核中记录了两个计数器:

  • ListenOverflows:当 socket 的 listen queue 已满,当新增一个连接请求时,应用程序来不及处理;

  • ListenDrops:包含上面的情况,除此之外,当内存不够无法为新的连接分配 socket 相关的数据结构时,也会加 1,当然还有别的异常情况下会增加 1。

分别对应下面文件中的第 21 列(ListenOverflows)和第 22 列(ListenDrops),可以通过如下命令查看:

$ cat /proc/net/netstat | awk '/TcpExt/ { print $21,$22 }'

如果使用 netstat 命令,有丢包时会看到 “times the listen queue of a socket overflowed” 以及 “SYNs to LISTEN sockets ignored” 对应行前面的数字;如果值为 0 则不会输出对应的行。

Out of memory

直接看代码,在内核中,对应的代码如下。

bool tcp_check_oom(struct sock *sk, int shift)
{
    bool too_many_orphans, out_of_socket_memory;

    too_many_orphans = tcp_too_many_orphans(sk, shift);
    out_of_socket_memory = tcp_out_of_memory(sk);

    if (too_many_orphans)
        net_info_ratelimited("too many orphaned sockets\n");
    if (out_of_socket_memory)
        net_info_ratelimited("out of memory -- consider tuning tcp_mem\n");
    return too_many_orphans || out_of_socket_memory;
}

static int tcp_out_of_resources(struct sock *sk, bool do_reset)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    int shift = 0;

    /* If peer does not open window for long time, or did not transmit
     * anything for long time, penalize it. */
    if ((s32)(tcp_time_stamp - tp->lsndtime) > 2*TCP_RTO_MAX || !do_reset)
        shift++;

    /* If some dubious ICMP arrived, penalize even more. */
    if (sk->sk_err_soft)
        shift++;

    if (tcp_check_oom(sk, shift)) {
        /* Catch exceptional cases, when connection requires reset.
         *      1. Last segment was sent recently. */
        if ((s32)(tcp_time_stamp - tp->lsndtime) <= TCP_TIMEWAIT_LEN ||
            /*  2. Window is closed. */
            (!tp->snd_wnd && !tp->packets_out))
            do_reset = true;
        if (do_reset)
            tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC);
        tcp_done(sk);
        NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONMEMORY);
        return 1;
    }
    return 0;
}

如上所示,出现内存不足可能会有两种情况:

  • 有太多的 orphan sockets,通常对于一些前端的服务器经常会出现这种情况。

  • 分配给 TCP 的内存确实较少,从而导致内存不足。

内存不足

这个比较好排查,只需要查看一下实际分配给 TCP 多少内存,现在时用了多少内存即可。需要注意的是,通常的配置项使用的单位是 Bytes,在此用的是 Pages,通常为 4K 。

先查看下给 TCP 分配了多少内存。

$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_mem
183474  244633  366948

简单来说,三个值分别表示进入 无压力、压力模式、内存上限的值,当到达最后一个值的时候就会报错。

接下来查看一下当前使用的内存。

$ cat /proc/net/sockstat
sockets: used 855
TCP: inuse 17 orphan 1 tw 0 alloc 19 mem 3
UDP: inuse 16 mem 10
UDPLITE: inuse 0
RAW: inuse 1
FRAG: inuse 0 memory 0

其中的 mem 表示使用了多少 Pages,如果相比 tcp_mem 的配置来说还很小,那么就有可能是由于 orphan sockets 导致的。

orphan sockets

首先介绍一下什么是 orphan sockets,简单来说就是该 socket 不与任何一个文件描述符相关联。例如,当应用调用 close() 关闭一个链接时,此时该 socket 就成为了 orphan,但是该 sock 仍然会保留一段时间,直到最后根据 TCP 协议结束。

实际上 orphan socket 对于应用来说是无用的,因此内核希望尽可能减小 orphan 的数量。对于像 http 这样的短请求来说,出现 orphan 的概率会比较大。

对于系统允许的最大 orphan 数量,以及当前的 orphan 数量可以通过如下方式查看:

$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans
32768
$ cat /proc/net/sockstat
... ...
TCP: inuse 37 orphan 14 tw 8 alloc 39 mem 9
... ...

你可能会发现,sockstat 中的 orphan 数量要远小于 tcp_max_orphans 的数目。

实际上,可以从代码中看到,实际会有个偏移量 shift,该值范围为 [0, 2] 。

static inline bool tcp_too_many_orphans(struct sock *sk, int shift)
{
    struct percpu_counter *ocp = sk->sk_prot->orphan_count;
    int orphans = percpu_counter_read_positive(ocp);

    if (orphans << shift > sysctl_tcp_max_orphans) {
        orphans = percpu_counter_sum_positive(ocp);
        if (orphans << shift > sysctl_tcp_max_orphans)
            return true;
    }
    return false;
}

也就是说,在某些场景下会对 orphan 做些惩罚,将 orphan 的数量 2x 甚至 4x,这也就解释了上述的问题。

如果是这样,那么就可以根据具体的情况,将 tcp_max_orphans 值适当调大。

总结

除了可能真正出现内存不足的情况之外,还有可能是由于内核的惩罚措施,导致 orphan 的误报。

Procfs 文件系统

  • /proc/net/tcp:记录 TCP 的状态信息。


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