大神如何不擇手段，最快最精準(zhǔn)打擊Linux網(wǎng)絡(luò)問題？

內(nèi)容簡介

本文是大廠著名大神Dog250在調(diào)試一些網(wǎng)絡(luò)問題時候的實(shí)戰(zhàn)，希望讀者通過閱讀本文，領(lǐng)悟大神們是如何“不擇手段，利用手頭一切的便利，最快的速度精準(zhǔn)打擊問題要害”，從而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)試和解決問題的。

我們在工作中總是遇到一些需要快速解決的棘手問題，解決這類問題往往有一套可供遵循的常規(guī)思路，但是實(shí)際做起來往往非常耗時且依賴外部環(huán)境，更加棘手的是，為了按部就班地完成工作，你需要學(xué)習(xí)很多很多前置知識，比方說相關(guān)工具的使用。

我傾向于用最少的工作量來完成POC。

不會用crash/ebpf就不能debug內(nèi)核了嗎？不懂編程就不能優(yōu)化系統(tǒng)了嗎？并不是。

讓我來展示一下縣城擺攤修傘的二胡師傅和瑞士宮廷制表匠的區(qū)別吧。

本文我會舉三個實(shí)際的例子。用的都是low到爆的過時玩意兒。

### 示例1:排查TCP連接僵死
netstat顯示一條TCP連接的Send-Q堆積了很多數(shù)據(jù)，對端相應(yīng)的Recv-Q卻是0，tcpdump顯示該連接持續(xù)無任何交互。

此時應(yīng)該怎么辦？

經(jīng)過ss -it確認(rèn)tcp_info信息，結(jié)論是該連接的RWND/CWND，RTT，RTO，MSS等數(shù)據(jù)均正常，網(wǎng)卡也無相關(guān)錯誤統(tǒng)計，但在事實(shí)上它就是僵住了，這是一個異?，F(xiàn)象，既然Send-Q中有數(shù)據(jù)，它是無論如何都要 ***嘗試*** 發(fā)送出去的。

幾乎可以肯定，原因無外乎兩點(diǎn)：
- 應(yīng)用程序進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用時lock住了socket并且阻塞了。
- 內(nèi)核存在問題。

如何來確認(rèn)？大多數(shù)人的思路傾向于使用crash工具去分析內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是這是一個龐大的靜態(tài)分析工程。

我傾向于開著飛機(jī)修引擎，我不擅長分析死因，但我擅長做復(fù)蘇。我的方法是嘗試給該TCP做復(fù)蘇手術(shù)。

TCP的發(fā)送一直是靠ACK時鐘驅(qū)動的，事實(shí)上直到BBR開啟的基于pacing的新TCP時代，也依然沒有放棄ACK時鐘，雖然ACK在原教旨意義上不再需要，但BBR依然使用它來計算pacing rate，假如沒有ACK到來了，那么pacing rate便會逐漸跌到0，TCP也就僵住了。

***因此，TCP的復(fù)蘇手術(shù)，主要是構(gòu)造一個ACK去擊打它！***

如果你對TCP足夠了解，那么你一定會大贊我的做法。

在TCP連接顯示Send-Q堆積的數(shù)據(jù)發(fā)送端構(gòu)造這個ACK，需要從本機(jī)的網(wǎng)卡注入，為了避開路由子系統(tǒng)的Martian報文校驗(yàn)，需要另起一個net namespace來做這事。

接下來我們來構(gòu)造這個ACK：

 為了最快速定位問題，我往往不會遵守什么編碼規(guī)范，所以我會寫死地址和端口，哪怕需要改的時候再編輯一下代碼。

然后我們來注入：

 注意，代碼中的seq，ack字段我們并不知道，如何將這個ACK來精確注入這個僵死的TCP連接？

精確注入需要兩步，用一個bpftrace腳本配合上述python代碼獲取TCP的snd_una，rcv_nxt等字段：

 注意，我hook的是tcp_rcv_established，當(dāng)我實(shí)施第一步注入的時候，沒有進(jìn)入這個trace，那幾乎可以肯定是應(yīng)用程序lock住了該連接，進(jìn)而將該ACK排入了backlog以延后處理，這種情況就需要應(yīng)用程序開發(fā)人員來接鍋了。

如果順利進(jìn)入了該trace，那么我們便獲取了TCP連接的info信息，接下來我們可以用打印出來的snd_una，rcv_nxt信息來填充python代碼中的seq和ack了：

 ACK構(gòu)造配合bpftrace腳本，如此便可以一路跟蹤到數(shù)據(jù)的發(fā)送邏輯，進(jìn)而定位發(fā)送僵死的原因。核心的思路我已經(jīng)給出了，本文不是case by case分析，也就沒有繼續(xù)的必要了。

順便說一句，我不喜歡使用bpftrace，太麻煩且限制太多，還是systemtap順手，特別是-g選項(xiàng)。bpftrace無需編譯執(zhí)行快并非不可或缺的優(yōu)點(diǎn)，大家都用bpftrace更多是因?yàn)樗鲁薄?/p>

### 示例2:實(shí)現(xiàn)tun網(wǎng)卡的readv
最近我雖然將golang實(shí)現(xiàn)的tun UDP隧道的總吞吐逼近了物理網(wǎng)卡極限25Gbps，但是對于單流吞吐而言，卻一直無法突破2～3Gbps，因此我想看看瓶頸到底在哪。

事實(shí)上，允許IP分片的情況下，我把tun的MTU設(shè)置成8000，單流吞吐可達(dá)8Gbps。然而在長傳有丟包的線路，IP分片(分片丟失會造成TCP時鐘卡頓)可能會使TCP的性能劣化，打亂BBR所依賴的pacing rate保真。

之前測量的結(jié)果，直連環(huán)境，通過tun UDP隧道的ping時延是物理網(wǎng)卡ping時延的10倍起步，那么tun和UDP socket處理的系統(tǒng)消耗大概要損耗10倍起步的吞吐，25Gbps下降到2～3Gbps是合理的。

因此我需要減少tun的read/write開銷。

批量讀寫是一個合理的思路，比方說io_uring，readv/writev等。可是tun并不支持這些，怎么辦？

io_uring直接拋棄，太復(fù)雜了。

如果要實(shí)現(xiàn)一個完備的讀寫數(shù)據(jù)包的readv/writev，我需要在內(nèi)核和用戶態(tài)均實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包邊界的拆包組包問題，我不得不處理各種協(xié)議，以在一塊整個的內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)包的長度并把它切下來，我不得不時刻當(dāng)心內(nèi)存的邊界，把不連續(xù)的內(nèi)存想辦法組合成一個看上去連續(xù)的內(nèi)存，以便后面的加密解密goroutine可以處理它們。

這看上去很復(fù)雜，需要對整個程序進(jìn)行修改(當(dāng)然了，這對于標(biāo)準(zhǔn)程序員根本不是事，但對于我，這很要命)，至少也要花費(fèi)一整天的時間，可作為業(yè)余的事情，每天回家都很晚了，我哪有時間折騰這些。

下面是我一個小時完成事情全部的做法。我改變了readv的語義：
- 每一個iovec僅存放一個skb的數(shù)據(jù)，下一個skb放在下一個iovec。
- 返回copy成功的skb的數(shù)量，而不是copy數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)。

下面是我對tun_do_read的改造：

 就這么幾行代碼。是不是很簡單。

下面是對應(yīng)的golang代碼：

下面是golang中的Readv：

 ...
### 示例3:實(shí)現(xiàn)松散TCP語義
來，最后一個例子，我簡單說。

我想為直播業(yè)務(wù)提供一個松散TCP傳輸協(xié)議，如何？

什么是松散TCP？很容易理解：
- 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)很好或者輕微丟包時，執(zhí)行完備TCP邏輯。
- 嚴(yán)重?fù)砣麜r不再重傳，直接發(fā)后面的數(shù)據(jù)，能不能到達(dá)，聽天由命。
- 接收端可以發(fā)送NAK指示發(fā)送端是否重傳。
- ...

這對于直播是有意義的，體現(xiàn)在三個方面：
- 直播防卡頓體驗(yàn)要比清晰度體驗(yàn)更核心，嚴(yán)重?fù)砣麜r用戶可以接受模糊但不能接受卡頓，因此可以丟幀，但不能卡住。
- 直播流量在嚴(yán)重?fù)砣麜r的松散非重傳處理可以降低帶寬成本。
- 大家都不拼命重傳了，或許網(wǎng)絡(luò)擁塞就過去了，可期待一種良性全局同步。

既能優(yōu)化體驗(yàn)，又能降低成本，何樂而不為？那么怎么落地呢？

開會立項(xiàng)，確定deadline，然后大改TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼嗎？Linux內(nèi)核中TCP的那一大脬代碼能把人看瘋。誰人改得動？然后可以期許的就是開會，延期，加班，哪來的快樂？

因此我用Netfilter：
- 發(fā)送端在IP層用Netfilter截獲出方向的TCP段，在嚴(yán)重?fù)砣麜r偽造ACK回復(fù)。
- 接收端在IP層用Netfilter截獲入方向的TCP段，在嚴(yán)重?fù)砣麜r用0填充丟包亂序造成的sequence空洞。

是不是不依賴TCP本身的實(shí)現(xiàn)了呢？而且實(shí)現(xiàn)起來很快，可以唱著歌寫。先把0.1版本推上去了，業(yè)務(wù)點(diǎn)了贊，然后慢慢再改那脬TCP代碼。

## 最后再寫點(diǎn)兒
其實(shí)還有很多類似的例子，但是時間有限，所以只能先寫幾個。將上面例子抽象一下，聊點(diǎn)形而上的。

不管做什么事情，什么最重要？是過程？是結(jié)果？還是別的什么？

過程和結(jié)果是經(jīng)理和用戶最關(guān)注的，工人則需要先把活干好。

工人在沒有一個理性，可行且快速，簡單的方案之前，過程和結(jié)果都是奢談。

很少有工人能給自己一個明確的定位，關(guān)注手頭最要緊的事情。所以很多工人在解決問題的時候顯得吃力，效率低。工人的信條就是， ***不擇手段，利用手頭一切的便利，最快的速度精準(zhǔn)打擊問題要害。*** 這至少是我的信條。

我擅長用火柴修雨傘，用筆帽修自行車鏈子，手工纏耳機(jī)實(shí)現(xiàn)重低音，用釘子和銅線做電容，自己纏電機(jī)，升壓器，自制穩(wěn)壓器，用牛仔褲做提包，用椅子做桌子，自制分頻器，... 所有這些玩意兒，都不需要去店里采購材料，完全利用家里廢舊物什完成。

所有這些事，我關(guān)注的兩點(diǎn)核心是：
- ***快速-快速成功要么就失敗*** 
- ***簡單-不依賴其它工具*** 

這思路從小時候一直持續(xù)到后來做了工人，樸素，但管用啊...
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浙江溫州皮鞋濕，下雨進(jìn)水不會胖。