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Linux性能优化实战之查看系统资源

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一、坏境准备

1、拓扑图

2、安装包

在第9节的基础上

在VM2上安装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
[root@luoahong pcap]# pwd
/root/libpcap-1.9.0/pcap
[root@luoahong pcap]# cp -a bpf.h /usr/include/net/bpf.h

在VM2上安装hping3的安装

yum install gcc libpcap-devel   tcl-devel -y
git clone https://github.com/antirez/hping.git
cd hping
./configure && make

3、实验环境准备

1、运行案例终端一

[root@luoahong ~]# 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'.
[root@luoahong ~]# 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

[root@luoahong ~]# docker rm -f app
app
[root@luoahong ~]# docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx
6545b4661b2f3c8ef0eba73706c2d1bf7a0b5469272b77ed172a4f4b92b068b9

2、确认nginx正常启动(终端二)

curl http://192.168.118.97/




Welcome to nginx!

3、运行 hping3 命令,来模拟 Nginx 的客户端请求(终端二)

[root@nfs hping]# pwd
/root/hping
# -S 参数表示设置 TCP 协议的 SYN(同步序列号),-p 表示目的端口为 80
# -i u100 表示每隔 100 微秒发送一个网络帧
# 注:如果你在实践过程中现象不明显,可以尝试把 100 调小,比如调成 10 甚至 1
[root@nfs 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、分析过程

1、查看系统整体的资源使用情况(终端一)

# top 运行后按数字 1 切换到显示所有 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
...

根据上一期的内容,既然软中断可能有问题,那你先要知道究竟是哪类软中断的问题?

1、是系统运行以来的累积中断次数

不过,这里的各类软中断次数,又是什么时间段里的次数呢?它是系统运行以来的累积中断次数

所以我们直接查看文件内容,得到的只是累积中断次数,对这里的问题并没有直接参考意义,因为这些中断次数的变化速率才是我们需要关注的

2、观察各种软中断类型的次数(终端一)

[root@luoahong ~]# 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、通过/proc/softirqs 文件内容的变化情况,你可以发现, TIMER(定时中断)、NET_RX(网络接收)、SCHED(内核调度)、RCU(RCU 锁)等这几个软中断都在不停变化。

2、其中NET_RX,也就是网络数据包接收软中断的变化速率最快。而其他几种类型的软中断,是保证 Linux 调度、时钟和临界区保护这些正常工作所必需的,所以它们有一定的变化倒是正常的。

那么接下来,我们就从网络接收的软中断着手,继续分析,既然是网络接收的软中断,第一步应该是观察系统的网络接收情况。这里你可能想起很多网络工具,不过我推荐今天的主人工sar

3、观察系统的网络接收情况(终端一)

sar可以用来查看系统的网络首发情况,还有一个好处,不可以观察网络收发的吞吐量(BPS,每秒收发的字节数),还可以观察网络收发的PPS,即每秒收发的网络帧数

# -n DEV 表示显示网络收发的报告,间隔 1 秒输出一组数据
[root@luoahong ~]# 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命令图解

我们具体来看输出的内容,你可以发现:每秒接收的网络帧数远大于发送的网络帧数

既然怀疑是网络中断的问题,我们还是重点来看eth0接收的BPS很小,稍微计算一下,说明平均每个网络帧数只有54字节,这显然是很小的网络帧,这也就是我们通常所说的小包问题

4、这是一个什么样的网络帧?从哪里发过来的呢?(终端一)

那么,有没有办法知道这是一个什么样的网络帧,以及从哪里发过来的呢?

# -i eth0 只抓取 eth0 网卡,-n 不解析协议名和主机名
# tcp port 80 表示只抓取 tcp 协议并且端口号为 80 的网络帧
$ 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
...

从tcpdump的输出中,你可以发现

1、192.168.118.105.64382 > 192.168.118.97 表示网络帧从192.168.118.105的64382端口到192.168.118.97的80端口,也就是运行hping3 机器的 64379 端口发送网络帧,

2、目的位Nginx所在机器的80端口

3、Flags [S] 则表示这是一个 SYN 包

再加上前面用 sar 发现的, PPS 超过 12000 的现象,现在我们可以确认,这就是从192.168.118.105 这个地址发送过来的SYN FLOOD 攻击

三、小结

 

到这里,我们已经做了全套的性能诊断和分析。

1、从系统的软中断使用率高这个现象出发,

2、通过观察/proc/softirqs 文件的变化情况,判断出软中断类型是网络接收中断

3、再通过 sar 和 tcpdump ,确认这是一个 SYN FLOOD问题

4、SYN FLOOD 问题最简单的解决方法,就是从交换机或者硬者硬件防火墙中封掉来源 IP,这样 SYN FLOOD 网络络帧就不会发送到服务器中

软中断CPU使用率升高是一种很常见的性能问题,虽然软中断的类型很多,但实际生产中,我们遇到的性能瓶颈大多数是网络收发类型的软中断,特别是网络接收的软中

在碰到这类问题时,你可以借用sar、tcpdump等工具,做进一步分析,不要害怕网络性能,后面我们会教你更多的分析方法

四、思考题

1、你所碰到的软中断问题。

我的理解比较简单粗暴, 硬中断是硬件产生的,比如键盘、鼠标的输入,硬盘的写入读取、网卡有数据了;软中断是软件产生的,比如程序内的定时器、[文中提到的RCU锁]。
再加上今天的上半部下半部,更好的理解了网卡的处理实际是有硬中断和软中断的。

2、你所碰到的软中问题是哪种类型

有,且是血淋淋的教训。
之前的c程序用到了别人写的动态库[如:lib.a],在物理机上,进程的cpu利用率在0%;而切换到了云服务器,即使空载,单进程的cpu利用率都有30%+。
以前没经验嘛,各种自查,无结果,但是自己的进程cpu利用率又那么高,总是不安心.
后来才通过vmstat 检测到系统的软中断每秒有100W+次.
最后各自百度,找人,才发现是那个动态库在处理网络收发消息时,使用了usleep(1)来休息,每次休息1纳秒,单次中断的耗时都不止1纳秒.

3、是不是这个案例中的小包问题?

如果是现在,我会如下分析:

1.检测是哪个线程占用了

cpu: top -H -p XX 1 / pidstat -wut -p XX 1

2.在进程中打印各线程号. 找到是哪个线程.[ 此过程也可以省略 但可以快速定位线程]

3.第一步应该可以判断出来中断数过高. 再使用 cat /proc/softirqs 查看是哪种类型的中断数过高.

4.不知道perf report -g -p XX 是否可以定位到具体

5.最终还是要查看源码,定位具体的位置,并加以验证.

4、你又是怎么分析它们的来源并解决的呢?

本期又学到新东西了:
1.sar 原来可以这么方便的看各网卡流量,甚至是网络帧数.

到目前为止,我都是用的最原始的方法:在网上找的一个脚本,分析ifconfig中的数据,来统计某个网卡的流量.一来需要指定某个网卡(默认eth0),二来显示的数据不太准确且不友好(sleep 1做差值).

2.nping3 居然可以用来模拟SYN FLOOD. (不要用来做坏事哦)

3.tcpdump 之前有所耳闻. 用的不多. 平常有解包需求,都是在windows下用wireshark,毕竟是图形界面.