深入分析Linux网络丢包

1、背景：

在这里插入图片描述
从图中你可以看出，可能发生丢包的位置，实际上贯穿了整个网络协议栈。换句话说，全程都有丢包的可能。

在两台 VM 连接之间，可能会发生传输失败的错误，比如网络拥塞、线路错误等；
在网卡收包后，环形缓冲区可能会因为溢出而丢包；
在链路层，可能会因为网络帧校验失败、QoS 等而丢包；
在 IP 层，可能会因为路由失败、组包大小超过 MTU 等而丢包；
在传输层，可能会因为端口未监听、资源占用超过内核限制等而丢包；
在套接字层，可能会因为套接字缓冲区溢出而丢包；
在应用层，可能会因为应用程序异常而丢包；
此外，如果配置了 iptables 规则，这些网络包也可能因为 iptables过滤规则而丢包

2、链路层

当链路层由于缓冲区溢出等原因导致网卡丢包时，Linux 会在网卡收发数据的统计信息中记录下收发错误的次数。可以通过 ethtool 或者 netstat ，来查看网卡的丢包记录。

netstat -i
 
Kernel Interface table
Iface      MTU    RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR    TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg
eth0       100       31      0      0 0             8      0      0      0 BMRU
lo       65536        0      0      0 0             0      0

RX-OK、RX-ERR、RX-DRP、RX-OVR ，分别表示

接收时的总包数
总错误数
进入 Ring Buffer 后因其他原因（如内存不足）导致的丢包数
Ring Buffer 溢出导致的丢包数。

TX-OK、TX-ERR、TX-DRP、TX-OVR 也代表类似的含义，只不过是指发送时对应的各个指标。

这里我们没有发现任何错误，说明虚拟网卡没有丢包。不过要注意，如果用 tc 等工具配置了 QoS，那么 tc 规则导致的丢包，就不会包含在网卡的统计信息中。所以接下来，我们还要检查一下 eth0 上是否配置了 tc 规则，并查看有没有丢包。添加 -s 选项，以输出统计信息：

tc用于Linux内核的流量控制
tc -s qdisc show dev eth0
 
qdisc netem 800d: root refcnt 2 limit 1000 loss 30%
 Sent 432 bytes 8 pkt (dropped 4, overlimits 0 requeues 0)
 backlog 0b 0p requeues 0

可以看到， eth0 上配置了一个网络模拟排队规则（qdisc netem），并且配置了丢包率为 30%（loss 30%）。再看后面的统计信息，发送了 8 个包，但是丢了 4个。看来应该就是这里导致 Nginx 回复的响应包被 netem 模块给丢了。

既然发现了问题，解决方法也很简单，直接删掉 netem 模块就可以了。执行下面的命令，删除 tc 中的 netem 模块：

tc qdisc del dev eth0 root netem loss 30%

删除后，重新执行之前的 hping3 命令，看看现在还有没有问题：

hping3 -c 10 -S -p 80 192.168.0.30
 
HPING 192.168.0.30 (eth0 192.168.0.30): S set, 40 headers + 0 data bytes
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=0 win=5120 rtt=7.9 ms
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=2 win=5120 rtt=1003.8 ms
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=5 win=5120 rtt=7.6 ms
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=6 win=5120 rtt=7.4 ms
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=9 win=5120 rtt=3.0 ms
 
--- 192.168.0.30 hping statistic ---
10 packets transmitted, 5 packets received, 50% packet loss
round-trip min/avg/max = 3.0/205.9/1003.8 ms

不幸的是，从 hping3 的输出中可以看到还是 50% 的丢包，RTT 的波动也仍旧很大，从 3ms 到 1s。显然，问题还是没解决，丢包还在继续发生。不过，既然链路层已经排查完了，我们就继续向上层分析，看看网络层和传输层有没有问题。

3、网络层和传输层

在网络层和传输层中，引发丢包的因素非常多。不过，其实想确认是否丢包，是非常简单的事，因为 Linux 已经为我们提供了各个协议的收发汇总情况。执行 netstat -s 命令，可以看到协议的收发汇总，以及错误信息：

netstat -s
#输出
Ip:
    Forwarding: 1          //开启转发
    31 total packets received    //总收包数
    0 forwarded            //转发包数
    0 incoming packets discarded  //接收丢包数
    25 incoming packets delivered  //接收的数据包数
    15 requests sent out      //发出的数据包数
Icmp:
    0 ICMP messages received    //收到的ICMP包数
    0 input ICMP message failed    //收到ICMP失败数
    ICMP input histogram:
    0 ICMP messages sent      //ICMP发送数
    0 ICMP messages failed      //ICMP失败数
    ICMP output histogram:
Tcp:
    0 active connection openings  //主动连接数
    0 passive connection openings  //被动连接数
    11 failed connection attempts  //失败连接尝试数
    0 connection resets received  //接收的连接重置数
    0 connections established    //建立连接数
    25 segments received      //已接收报文数
    21 segments sent out      //已发送报文数
    4 segments retransmitted    //重传报文数
    0 bad segments received      //错误报文数
    0 resets sent          //发出的连接重置数
Udp:
    0 packets received
    ...
TcpExt:
    11 resets received for embryonic SYN_RECV sockets  //半连接重置数
    0 packet headers predicted
    TCPTimeouts: 7    //超时数
    TCPSynRetrans: 4  //SYN重传数
  ...

etstat 汇总了 IP、ICMP、TCP、UDP 等各种协议的收发统计信息。不过，我们的目的是排查丢包问题，所以这里主要观察的是错误数、丢包数以及重传数。可以看到，只有 TCP 协议发生了丢包和重传，分别是：

11 次连接失败重试（11 failed connection attempts）
4 次重传（4 segments retransmitted）
11 次半连接重置（11 resets received for embryonic SYN_RECV sockets）
4 次 SYN 重传（TCPSynRetrans）
7 次超时（TCPTimeouts）

这个结果告诉我们，TCP 协议有多次超时和失败重试，并且主要错误是半连接重置。换句话说，主要的失败，都是三次握手失败。不过，虽然在这儿看到了这么多失败，但具体失败的根源还是无法确定。所以，我们还需要继续顺着协议栈来分析。接下来的几层又该如何分析呢？

4、iptables

首先，除了网络层和传输层的各种协议，iptables 和内核的连接跟踪机制也可能会导致丢包。所以，这也是发生丢包问题时我们必须要排查的一个因素。

先来看看连接跟踪，要确认是不是连接跟踪导致的问题，只需要对比当前的连接跟踪数和最大连接跟踪数即可。

# 主机终端中查询内核配置
$ sysctl net.netfilter.nf_conntrack_max
net.netfilter.nf_conntrack_max = 262144
$ sysctl net.netfilter.nf_conntrack_count
net.netfilter.nf_conntrack_count = 182

可以看到，连接跟踪数只有 182，而最大连接跟踪数则是 262144。显然，这里的丢包，不可能是连接跟踪导致的。

接着，再来看 iptables。回顾一下 iptables 的原理，它基于 Netfilter 框架，通过一系列的规则，对网络数据包进行过滤（如防火墙）和修改（如 NAT）。这些 iptables 规则，统一管理在一系列的表中，包括 filter、nat、mangle（用于修改分组数据）和 raw（用于原始数据包）等。而每张表又可以包括一系列的链，用于对 iptables 规则进行分组管理。

对于丢包问题来说，最大的可能就是被 filter 表中的规则给丢弃了。要弄清楚这一点，就需要我们确认，那些目标为 DROP 和 REJECT 等会弃包的规则，有没有被执行到。可以直接查询 DROP 和 REJECT 等规则的统计信息，看看是否为0。如果不是 0 ，再把相关的规则拎出来进行分析。

iptables -t filter -nvL
#输出
Chain INPUT (policy ACCEPT 25 packets, 1000 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    6   240 DROP       all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            statistic mode random probability 0.29999999981
 
Chain FORWARD (policy ACCEPT 0 packets, 0 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
 
Chain OUTPUT (policy ACCEPT 15 packets, 660 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    6   264 DROP       all  --  *      *       0.0.0.0/0

从 iptables 的输出中，你可以看到，两条 DROP 规则的统计数值不是 0，它们分别在INPUT 和 OUTPUT 链中。这两条规则实际上是一样的，指的是使用 statistic 模块，进行随机 30% 的丢包。0.0.0.0/0 表示匹配所有的源 IP 和目的 IP，也就是会对所有包都进行随机 30% 的丢包。看起来，这应该就是导致部分丢包的“罪魁祸首”了。

执行下面的两条 iptables 命令，删除这两条 DROP 规则。

root@nginx:/# iptables -t filter -D INPUT -m statistic --mode random --probability 0.30 -j DROP
root@nginx:/# iptables -t filter -D OUTPUT -m statistic --mode random --probability 0.30 -j DROP

再次执行刚才的 hping3 命令，看看现在是否正常

#输出
HPING 192.168.0.30 (eth0 192.168.0.30): S set, 40 headers + 0 data bytes
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=0 win=5120 rtt=11.9 ms
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=1 win=5120 rtt=7.8 ms
...
len=44 ip=192.168.0.30 ttl=63 DF id=0 sport=80 flags=SA seq=9 win=5120 rtt=15.0 ms
 
--- 192.168.0.30 hping statistic ---
10 packets transmitted, 10 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 3.3/7.9/15.0 ms

不过，到目前为止，我们一直使用的 hping3 工具，只能验证案例 Nginx 的 80 端口处于正常监听状态，却还没有访问 Nginx 的 HTTP 服务。所以，不要匆忙下结论结束这次优化，我们还需要进一步确认，Nginx 能不能正常响应 HTTP 请求。我们继续在终端二中，执行如下的 curl 命令，检查 Nginx 对 HTTP 请求的响应：

$ curl --max-time 3 http://192.168.0.30
curl: (28) Operation timed out after 3000 milliseconds with 0 bytes received

奇怪，hping3 的结果显示Nginx 的 80 端口是正常状态，为什么还是不能正常响应 HTTP 请求呢？别忘了，我们还有个大杀器——抓包操作。看来有必要抓包看看了。

5、tcpdump

执行下面的 tcpdump 命令，抓取 80 端口的包

tcpdump -i eth0 -nn port 80
#输出
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262

然后，切换到终端二中，再次执行前面的 curl 命令：
在这里插入图片描述
wireshark flow graph

可以重新执行 netstat -i 命令，确认一下网卡有没有丢包问题：

netstat -i
 
Kernel Interface table
Iface      MTU    RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR    TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg
eth0       100      157      0    344 0            94      0      0      0 BMRU
lo       65536        0      0      0 0             0      0

从 netstat 的输出中，你可以看到，接收丢包数（RX-DRP）是 344，果然是在网卡接收时丢包了。不过问题也来了，为什么刚才用 hping3 时不丢包，现在换成 GET 就收不到了呢？还是那句话，遇到搞不懂的现象，不妨先去查查工具和方法的原理。我们可以对比一下这两个工具：

hping3 实际上只发送了 SYN 包；
curl 在发送 SYN 包后，还会发送 HTTP GET 请求。HTTP GET本质上也是一个 TCP 包，但跟 SYN 包相比，它还携带了 HTTP GET 的数据。

通过这个对比，你应该想到了，这可能是 MTU 配置错误导致的。为什么呢？

其实，仔细观察上面 netstat 的输出界面，第二列正是每个网卡的 MTU 值。eth0 的 MTU只有 100，而以太网的 MTU 默认值是 1500，这个 100 就显得太小了。当然，MTU 问题是很好解决的，把它改成 1500 就可以了。

ifconfig eth0 mtu 1500

修改完成后，再切换到终端二中，再次执行 curl 命令，确认问题是否真的解决了：

curl --max-time 3 http://192.168.0.30/
#输出
<!DOCTYPE html>
<html>
...
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>
非常不容易呀，这次终于看到了熟悉的 Nginx 响应，说明丢包的问题终于彻底解决了。