Потери на сетевых картах, задержки в обработке и как с ними бороться

{toc}

В Linux сетевое оборудование (процессор, сетевые карты) по умолчанию работает неидеально. Наша задача - поймать пакеты, не упустив ни одного и обработать, при этом желательно в реальном времени.

h1. Как увидеть информацию о потерях

Для начала убедимся в существовании проблемы. Для этого будем использовать набор утилит в Carbon Reductor и стандартные инструменты iproute.

Все команды надо запускать перейдя в контейнер Carbon Reductor:

{code}
chroot /app/reductor
{code}

h2. Информация о конкретной сетевой карте

{code}
ip -s -s link show eth2
6: eth2: <BROADCAST,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP qlen 1000
    link/ether 00:e0:ed:33:65:b2 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    RX: bytes  packets  errors  dropped overrun mcast
    66192704908009 358590458063 0       0       0       79155
    RX errors: length   crc     frame   fifo    missed
               0        0       0       0       111495719
    TX: bytes  packets  errors  dropped carrier collsns
    0          0        0       0       0       0
    TX errors: aborted  fifo   window heartbeat
               0        0       0       0
{code}

Смотреть нужно на все виды RX Errors.

Некоторые сетевые карты предоставляют подробную информацию о характере потерь:

{code}
ethtool -S eth2 | egrep rx_ | grep -v ': 0$' | egrep -v 'packets:|bytes:'
     rx_pkts_nic: 365565232680
     rx_bytes_nic: 69973509621284
     rx_missed_errors: 111495719
     rx_long_length_errors: 1077
     rx_csum_offload_errors: 169255
     rx_no_dma_resources: 383638
{code}

Потери могут быть как на сетевых картах сервера, так и на порту сетевого оборудования, отправляющего зеркало трафика. О том, как это посмотреть можно узнать из документации производителя сетевого оборудования.

h2. Как интерпретировать нагрузку на процессор

Выполните команду

{code}
top -cd1
{code}

и нажмите клавишу "1", чтобы увидеть информацию о каждом конкретном процессоре.

Формат вывода следующий:

{code}
Tasks: 143 total,   1 running, 142 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu0  :  0.0%us,  0.0%sy,  0.0%ni, 88.0%id,  0.0%wa,  0.0%hi, 12.0%si,  0.0%st
Cpu1  :  0.0%us,  0.0%sy,  0.0%ni, 88.8%id,  0.0%wa,  0.0%hi, 11.2%si,  0.0%st
Cpu2  :  0.0%us,  1.0%sy,  0.0%ni, 85.0%id,  0.0%wa,  0.0%hi, 14.0%si,  0.0%st
Cpu3  :  0.0%us,  0.0%sy,  0.0%ni, 87.8%id,  0.0%wa,  0.0%hi, 12.2%si,  0.0%st
{code}

Интерес представляет колонка "%si".

Если нагрузка распределена неравномерно, т.е. Cpu0 трудится, а 1..n нет, то ресурсы процессора используются нерационально.

* 0% на каждом ядре - возможно на сервере нет трафика.
* 1-3% - увеличение канала возможно без апгрейда оборудования.
* 6-10% - текущая нагрузка обрабатывается нормально, увеличение канала потребует апгрейд &nbsp;оборудования.
* 11-15% - вероятно требуется апгрейд оборудования или оптимизации настроек имеющегося.
* 20-100% - с вероятностью 99% присутствуют потери пакетов. Если ситуация сохраняется после применения последующих пунктов этой статьи - свяжитесь с технической поддержкой.

h2. Информация о сетевом стеке

Просмотр подробной информации о текущем состоянии сетевого стека:

{code}
network-top
{code}

Некоторые значения подсвечиваются жёлтым (высокое значение) и красным (чрезвычайно высокое значение или ошибка). Это эвристика и не подстраивается под конкретный сервер.

При количестве ядер больше 20 или большом числе VLAN информация может не влезать на экран, решение проблемы - уменьшить масштаб терминала или перечислить необходимые девайсы `--devices=eth1,eth2,eth3`:

Вывод выглядит так:

{code}
[root@reductor support]# network-top -n 1 --no-clear --no-color
# /proc/interrupts

   CPU0    CPU1    CPU2    CPU3    CPU4    CPU5    CPU6    CPU7    CPU8    CPU9   CPU10   CPU11   CPU12   CPU13   CPU14   CPU15

      0       0       0       0       0       0       0     733       0       0       0       0       0       0       0       0   eth0-TxRx-7
  39405       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-0
      0   39768       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-1
      0       0   38518       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-2
      0       0       0   41302       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-3
      0       0       0       0   39061       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-4
      0       0       0       0       0   42078       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-5
      0       0       0       0       0       0   39168       0       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-6
      0       0       0       0       0       0       0   39294       0       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-7
      0       0       0       0       0       0       0       0   37167       0       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-8
      0       0       0       0       0       0       0       0       0   37460       0       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-9
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   40164       0       0       0       0       0   eth2-TxRx-10
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   39613       0       0       0       0   eth2-TxRx-11
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   40362       0       0       0   eth2-TxRx-12
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   41184       0       0   eth2-TxRx-13
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   42319       0   eth2-TxRx-14
      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0   38430   eth2-TxRx-15
    111      61      31      70      23      86      45      77     166       0      12      15      21       9       0     112   interrupts

# Load per cpu:

  CPU     Interrupts   NET RX   NET TX    total   dropped   time_squeeze   cpu_collision   received_rps

  CPU0         39545    39717        0   127558         0              0               0              0
  CPU1         39845    40164        0   130904         0              0               0              0
  CPU2         38594    38925        0   133087         0              0               0              0
  CPU3         41411    41702        0   155217         0              0               0              0
  CPU4         39118    39388        0   126653         0              0               0              0
  CPU5         42188    42443        0   141257         0              0               0              0
  CPU6         39230    39527        0   137838         0              0               0              0
  CPU7         40118    40425        0   117886         0              0               0              0
  CPU8         37335    37430        0   118963         0              0               0              0
  CPU9         37464    37535        0   144810         0              0               0              0
  CPU10        40194    40463        0   135276         0              0               0              0
  CPU11        39630    39953        0   136303         0              0               0              0
  CPU12        40387    40675        0   135858         0              0               0              0
  CPU13        41195    41526        0   134899         0              0               0              0
  CPU14        42321    42705        0   156010         0              0               0              0
  CPU15        38593    38695        0   113177         0              0               0              0

# Network devices

  Device      rx-packets   rx-mbits   rx-errors   dropped   missed   fifo   length   overrun   crc   frame   tx-packets   tx-mbits   tx-errors

  lo                   0          0           0         0        0      0        0         0     0       0            0          0           0
  eth0                21          0           0         0        0      0        0         0     0       0         1155          1           0
  eth1                 0          0           0         0        0      0        0         0     0       0            0          0           0
  eth2           1082133       1462           0         0        0      0        0         0     0       0            0          0           0
  eth3                 0          0           0         0        0      0        0         0     0       0            0          0           0
{code}

Данные собираются из нескольких источников (`/proc/interrupts`, `/proc/softirqs`, `/proc/net/softnet_stat` и др) и представленны в удобочитаемом виде. По умолчанию отображаются изменения по сравнению с предыдущими значениями. Режим `--no-delta-mode`, отображает абсолютные значения.

h3. /proc/interrupts

Отображает то, как очереди сетевой карты распределены между ядрами. Рекомендуем распределять 1 очередь на 1 ядро, можно "лесенкой".

Если в одну очередь приходит больше пакетов, чем в остальные - возможно трафик инкапсулирован (QinQ, PPP).

h3. Load per CPU

Отображает что делает каждое ядро. Распределение обработки трафика может достигается за счёт очередей сетевой карты (RSS) или технологии RPS ("программный" RSS).

* Interrupts - прерывания, это копирование пакетов из сетевой карты в оперативной памяти.
* NET_RX - отложенная обработка входящего трафика: собственно обработка пакетов файрволом
* Total - число обрабатываемых пакетов
* dropped - потери пакетов
* time_squeeze - задержки пакетов - пакет не успел обработаться за отведённое время, отложен для обработки позже. Наличие задержек - признак того, что сервер перестаёт справляться с нагрузкой.

h3. Network devices

Статистика по сетевым картам
* rx-errors - общее число ошибок, суммирует остальные. В какой счётчик попадает потерявшийся пакет зависит от драйвера сетевой карты.
* dropped, fifo, overrun - как правило, пакеты, не успевшие обработаться сетевым стеком
* missed - как правило, пакеты, не успевшие попасть в сетевой стек
* length - как правило слишком большие пакеты, которые не влезают в MTU на сетевой карте. Лечится увеличением MTU.
* crc - прилетают битые пакеты. Часто - следствие высокой нагрузки на коммутатор.

h1. Что, как и когда настраивать

h2. Процессоры

Частые проблемы в настройках процессора.

h3. "Плавающая" частота

{code}
grep '' /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_{min,cur,max}_freq
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_min_freq:1600000
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq:1600000
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_max_freq:3201000
{code}

Проблема - процессор работает вполсилы. Исправить это можно используя утилиту `maximize-cpu-freq` входящую в netutils-linux, в Carbon Reductor 8 она используется автоматически.

h3. Режим энергосбережения

Использование процессора с отключенным гипертредингом может быть эффективнее, чем с включенным, несмотря на меньшее количество логических ядер. Отключить его можно при перезагрузке в UEFI или BIOS.

h3. Низкая частота

Процессоры с большим числом ядер, но низкой частотой - 2 - 2.2GHz не подходят для сетевых задач с низкими задержками. Низкая частота приводит к медленной обработке отдельно взятого пакета, которая не масштабируется с числом ядер. Иными словами, числом ядер невозможно побороть задержки в обработке пакетов.

Что с этим делать - лучше не покупать такие процессоры, они созданы для других задач. Если он уже куплен - поискать ему другое применение.

Оптимальная частота для процессоров используемых для сетевых задач - 3GHz+, но чем выше - тем лучше.

h2. Сетевые карты

h3. Размер буфера

{code}
# ethtool -g eth1
Ring parameters for eth1:
Pre-set maximums:
RX: 4096
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 4096
Current hardware settings:
RX: 4096
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 256
{code}

Здесь видим выкрученный на максимум rx-буфер. Подобрать оптимальное значение сложно, большой буфер - задержки, маленький буфер - потери. В нашем случая оптимальное - максимальное значение, оптимизации осмыслены только при наличии проблем.

Пример команд для увеличения буфера:

{code}
ethtool -G eth1 rx 2048
{code}

В RHEL-based дистрибутивы (платформа Carbon, CentOS, Fedora итд) укажите параметры ethtool в настройках интерфейса (`/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth1`) строчкой:

{code}
ETHTOOL_OPTS="-G ${DEVICE} rx 2048"
{code}

Альтернативный вариант с автоматическим определением оптимального значения (утилита из netutils-linux):

{code}
rx-buffers-increase eth1
{code}

h3. Распределение прерываний

h4. Реальные прерывания

Хорошие сетевые карты поддерживают несколько очередей для входящих пакетов. Каждая очередь привязана к одному или нескольким ядрам. Несмотря на указанный список зачастую сетевые карты по умолчанию коробки работают на первом ядре процессора. Обойти это можно распределив прерывания c помощью утилиты rss-ladder.

{code}
rss-ladder eth1
{code}

Используйте разные ядра (cores), гипертрединг лучше выключить, с ним легко получить неоптимальные настройки.

h5. Многопроцессорные системы

Если в системе больше одного физического процессора, лучше распределять прерывания сетевой карты в пределах ядер её локальной NUMA-ноды. rss-ladder делает это автоматически. Число очередей лучше подстроить под число ядер одного физического процессора, по умолчанию их число часто равно общему числу ядер.

Пример - поставим eth2 8 объединённых очередей.

{code}
ethtool -L eth2 combined 8
{code}

Очереди бывают combined или отдельные tx и rx, зависит от модели и драйвера сетевой карты.

Не все многопроцессорные системы поддерживают NUMA, иногда память является общей для обоих процессоров и для сетевых карт.

h5. Пример для Carbon Reductor 8

Мы не используем автоматическую настройку RSS, т.к. в редких ситуациях это приводит к зависанию сетевой карты. Так что настраивать это необходимо вручную:

Создаем сам файл-хук: `/app/reductor/cfg/userinfo/hooks/start.sh`

В него добавляем следующее содержимое:

{code}
#!/bin/bash

client_post_start_hook() {
    rss-ladder eth0 || true
    rss-ladder eth1 || true
}
{code}

и делаем файл исполнимым: `chmod a+x /app/reductor/cfg/userinfo/hooks/start.sh`.

h4. Отложенные прерывания

Существует технология программного распределения обрабатываемых пакетов между ядрами - RPS. Она универсальна и подходит для любых сетевых карт, даже с одной очередью. Пример настройки:

{code}
autorps eth2
{code}

В Carbon Reductor 8 данная утилита используется автоматически для сетевых карт с одной очередью.

h3. Различные значения rx-usecs

Мы рекомендуем использовать стандартные значения сетевой карты до тех пор, пока не возникнут проблемы.

Статья для лучшего понимания, правда больше под маршрутизаторы : [http://habrahabr.ru/post/108240/]

В кратце - можно за счёт повышения нагрузки на процессор слегка снять нагрузку с сетевой карты, уменьшая rx-usecs.

На большинстве машин использумых в нашем случае оптимальным оказалось значение 1.

{code}
ethtool -C eth1 rx-usecs 1
{code}

h3. Опции несовместимые с FORWARD / bridge

General Receive Offload и Large Receive Offload могут приводить к паникам ядра Linux и их лучше отключать:

{code}
ethtool -K eth2 gro off
ethtool -K eth2 lro off
{code}

Либо при компиляции драйвера.

h3. Веса очередей (RX Flow Indirection)

В ситуации с одной активной сетевой картой и двумя физическими процессорами с разными NUMA-нодами имеет смысл снизить нагрузку на "чужую" NUMA-ноду.

Настраивается с помощью ethtool, очередям задаются веса, не все сетевые карты это поддерживают.

Экспериментов пока было не так много, но оптимальным кажется сочетание весов: 3 на ядра своей ноды, 2 на ядра чужой, так как обращения к оперативной памяти чужой NUMA-ноды медленнее, чем к своей.

Пример - допустим у нас есть 2 двухядерных процессора и сетевая карта eth2, поддерживающая 4 очереди. CPU0, CPU1 - это её локальная нода, CPU2, CPU3 - чужая.

{code}
# посмотреть текущие настройки
ethtool -x eth2
# настроить
ethtool -X eth2 weight 3 3 2 2
{code}
Обязательно проверяйте после этих изменений что всё работает так, как и ожидалось с помощью утилиты network-top.

h3. Замена сетевых карт

Иногда бывает дело просто в железе. Если уверены, что сетевая карта хорошей модели и есть ещё одна такая же - попробуйте использовать её. Возможно она просто бракованная, хоть вероятность и мала.

Иногда дело бывает в драйвере (в случае dlink / realtek сетевых карт). Они, конечно, здорово поддерживаются практически любым дистрибутивом, но для высоких нагрузок не очень подходят.

h2. Сетевой стек, iptables

h3. NOTRACK

Эта технология отключает наблюдение за состоянием соединения для пакетов к которым она была применена. Это приводит к значительному снижению нагрузки на процессор в случае, если состояние соединения нас не интересует (захват трафика).

Крупным провайдерам с большим объёмом трафика эта опция практически обязательна, почему - показывает пример:

h4. ДО включения:

{code}
88.4%si
82.3%si
88.2%si
75.9%si
100.0%si
82.9%si
88.5%si
84.7%si
90.3%si
94.6%si
82.0%si
67.9%si
77.5%si
100.0%si
82.9%si
100.0%si
82.0%si
100.0%si
85.0%si
93.8%si
90.3%si
91.2%si
89.3%si
100.0%si
87.3%si
97.3%si
91.1%si
94.6%si
100.0%si
87.6%si
81.7%si
85.7%si
{code}

h4. ПОСЛЕ включения:

{code}
1.2%si
2.4%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
1.3%si
1.2%si
0.0%si
1.2%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
1.4%si
0.0%si
1.3%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
0.0%si
1.4%si
1.5%si
0.0%si
{code}

h2. Сеть провайдера

h3. Масштабирование


h4. В рамках одного сервера

Вы можете распределить зеркало между несколькими сетевыми картами, указав в настройках создаваемых зеркал равные диапазоны абонентских портов.

Обычно это имеет смысл в случае если сервер имеет несколько физических процессоров и несколько сетевых карт (несколько портов одной карты привязываются к одному и тому же процессору, использование "чужого процессора" ведёт к меньшей производительности).

h4. Между серверами

{color:#333333}Вы можете располагать сетевые карты из пункта выше в разных серверах для масштабирования нагрузки.{color}

h3. Flow-control

Для отправки зеркала рекомендуем отключать данную опцию, она чаще приводит к потерям, чем к сглаживанию пиковых нагрузок.

{code}
ethtool -A eth2 rx off tx off
{code}

В Carbon Reductor 8 скоро будет доступно в автоматическом режиме.

h3. MTU

MTU на порту железки, отправляющей зеркало не должно быть больше, чем MTU интерфейса на Carbon Reductor (в том числе и всех VLAN), принимающего зеркало.

Рекомендуем посмотреть статистику на свитче по распределению размеров пакетов, для D-Link например команда `show packet port 1:1`

и вывод в духе:

{code}
Port number : 2:11
 Frame Size/Type       Frame Counts                  Frames/sec
 ---------------       ----------------------        -----------
 64                    1470536789                    6330
 65-127                511753536                     12442
 128-255               1145529306                    1433
 256-511               704083758                     1097
 512-1023              842811566                     882
 1024-1518             1348869310                    7004
 1519-1522             2321195608                    1572
 1519-2047             2321195608                    1572
 2048-4095             0                             0
 4096-9216             0                             0
 Unicast RX            0                             0
 Multicast RX          16                            0
 Broadcast RX          0                             0
 Frame Type            Total                         Total/sec
 ---------------       ----------------------        -----------
 RX Bytes              1384                          0
 RX Frames             16                            0
 TX Bytes              20409818277370                15162751
 TX Frames             34114583632                   30760
{code}

По умолчанию CentOS используется MTU = 1500, лучше выставить его равным максимальному ненулевому значению из статистики.

{code}
 1519-2047             2321195608                    1572
{code}

h4. Как определить потери пакетов из-за низкого MTU?

Смотрите на RX: length значение в выводе команды:

{code}
# ip -s -s link show eth1
3: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1528 qdisc mq state UP qlen 1000
    link/ether 00:00:00:00:00:00 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    RX: bytes  packets  errors  dropped overrun mcast
    5956390755888 19345313821 3533855 0       0       817154
    RX errors: length   crc     frame   fifo    missed
               3533855  0       0       0       0
    TX: bytes  packets  errors  dropped carrier collsns
    23100      330      0       0       0       0
    TX errors: aborted  fifo   window heartbeat
               0        0       0       0
{code}

h4. Как избавиться от этих потерь?

\**Разово*\* - выполнить команду:

{code}
ip link set eth1 mtu 1540
{code}

\**Перманентно*\* - дописать в настройки сетёвой карты `/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth1`:

{code}
MTU=1540
{code}

h2. Carbon Reductor

h3. Опции снижающие производительность

- menu > настройки алгоритма фильтрации > логировать срабатывания
- menu > настройки алгоритма фильтрации > сохранять домен в адресе редиректа

Они замедляют процесс обработки пакета и отправки редиректов.