深入分析Linux网络丢包问题！

今天浩道跟大家分享日常运维工作中，常常遇到的Linux网络丢包，该如何排查。

一、 哪里可能丢包

接下来，我就以最常用的反向代理服务器 Nginx 为例，带你一起看看如何分析网络丢包的问题。执行下面的 hping3 命令，进一步验证 Nginx 是不是可以正常访问。这里我没有使用 ping，是因为 ping 基于 ICMP 协议，而 Nginx 使用的是 TCP 协议。

#-c表示发送10个请求，-S表示使用TCPSYN，-p指定端口为80
hping3-c10-S-p80192.168.0.30

HPING192.168.0.30(eth0192.168.0.30):Sset,40headers+0databytes
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=3win=5120rtt=7.5ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=4win=5120rtt=7.4ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=5win=5120rtt=3.3ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=7win=5120rtt=3.0ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=6win=5120rtt=3027.2ms

---192.168.0.30hpingstatistic---
10packetstransmitted,5packetsreceived,50%packetloss
round-tripmin/avg/max=3.0/609.7/3027.2ms

从 hping3 的输出中，我们可以发现，发送了 10 个请求包，却只收到了 5 个回复，50%的包都丢了。再观察每个请求的 RTT 可以发现，RTT 也有非常大的波动变化，小的时候只有 3ms，而大的时候则有 3s。根据这些输出，我们基本能判断，已经发生了丢包现象。可以猜测，3s 的 RTT ，很可能是因为丢包后重传导致的。

那到底是哪里发生了丢包呢？排查之前，我们可以回忆一下 Linux 的网络收发流程，先从理论上分析，哪里有可能会发生丢包。你不妨拿出手边的笔和纸，边回忆边在纸上梳理，思考清楚再继续下面的内容。在这里，为了帮你理解网络丢包的原理，我画了一张图，你可以保存并打印出来使用

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

二、 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

KernelInterfacetable
IfaceMTURX-OKRX-ERRRX-DRPRX-OVRTX-OKTX-ERRTX-DRPTX-OVRFlg
eth0100310008000BMRU
lo6553600000000LRU

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）导致的丢包数以及 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-sqdiscshowdeveth0

qdiscnetem800d:rootrefcnt2limit1000loss30%
Sent432bytes8pkt(dropped4,overlimits0requeues0)
backlog0b0prequeues0

可以看到， eth0 上配置了一个网络interwetten与威廉的赔率体系 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：

tcqdiscdeldeveth0rootnetemloss30%

删除后，重新执行之前的 hping3 命令，看看现在还有没有问题：

hping3-c10-S-p80192.168.0.30

HPING192.168.0.30(eth0192.168.0.30):Sset,40headers+0databytes
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=0win=5120rtt=7.9ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=2win=5120rtt=1003.8ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=5win=5120rtt=7.6ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=6win=5120rtt=7.4ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=9win=5120rtt=3.0ms

---192.168.0.30hpingstatistic---
10packetstransmitted,5packetsreceived,50%packetloss
round-tripmin/avg/max=3.0/205.9/1003.8ms

三、 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
31totalpacketsreceived//总收包数
0forwarded//转发包数
0incomingpacketsdiscarded//接收丢包数
25incomingpacketsdelivered//接收的数据包数
15requestssentout//发出的数据包数
Icmp:
0ICMPmessagesreceived//收到的ICMP包数
0inputICMPmessagefailed//收到ICMP失败数
ICMPinputhistogram:
0ICMPmessagessent//ICMP发送数
0ICMPmessagesfailed//ICMP失败数
ICMPoutputhistogram:
Tcp:
0activeconnectionopenings//主动连接数
0passiveconnectionopenings//被动连接数
11failedconnectionattempts//失败连接尝试数
0connectionresetsreceived//接收的连接重置数
0connectionsestablished//建立连接数
25segmentsreceived//已接收报文数
21segmentssentout//已发送报文数
4segmentsretransmitted//重传报文数
0badsegmentsreceived//错误报文数
0resetssent//发出的连接重置数
Udp:
0packetsreceived
...
TcpExt:
11resetsreceivedforembryonicSYN_RECVsockets//半连接重置数
0packetheaderspredicted
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）

四、 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
$sysctlnet.netfilter.nf_conntrack_max
net.netfilter.nf_conntrack_max=262144
$sysctlnet.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-tfilter-nvL
#输出
ChainINPUT(policyACCEPT25packets,1000bytes)
pktsbytestargetprotoptinoutsourcedestination
6240DROPall--**0.0.0.0/00.0.0.0/0statisticmoderandomprobability0.29999999981

ChainFORWARD(policyACCEPT0packets,0bytes)
pktsbytestargetprotoptinoutsourcedestination

ChainOUTPUT(policyACCEPT15packets,660bytes)
pktsbytestargetprotoptinoutsourcedestination
6264DROPall--**0.0.0.0/00.0.0.0/0statisticmoderandomprobability0.29999999981

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-tfilter-DINPUT-mstatistic--moderandom--probability0.30-jDROP
root@nginx:/#iptables-tfilter-DOUTPUT-mstatistic--moderandom--probability0.30-jDROP

再次执行刚才的 hping3 命令，看看现在是否正常

hping3-c10-S-p80192.168.0.30
#输出
HPING192.168.0.30(eth0192.168.0.30):Sset,40headers+0databytes
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=0win=5120rtt=11.9ms
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=1win=5120rtt=7.8ms
...
len=44ip=192.168.0.30ttl=63DFid=0sport=80flags=SAseq=9win=5120rtt=15.0ms

---192.168.0.30hpingstatistic---
10packetstransmitted,10packetsreceived,0%packetloss
round-tripmin/avg/max=3.3/7.9/15.0ms

这次输出你可以看到，现在已经没有丢包了，并且延迟的波动变化也很小。看来，丢包问题应该已经解决了。

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-time3http://192.168.0.30
curl:(28)Operationtimedoutafter3000millisecondswith0bytesreceived

五、 tcpdump

执行下面的 tcpdump 命令，抓取 80 端口的包

tcpdump-ieth0-nnport80
#输出
tcpdump:verboseoutputsuppressed,use-vor-vvforfullprotocoldecode
listeningoneth0,link-typeEN10MB(Ethernet),capturesize262144bytes

然后，切换到终端二中，再次执行前面的 curl 命令：

curl--max-time3http://192.168.0.30
curl:(28)Operationtimedoutafter3000millisecondswith0bytesreceived

等到 curl 命令结束后，再次切换回终端一，查看 tcpdump 的输出：

1400.589235IP10.255.255.5.39058>172.17.0.2.80:Flags[S],seq332257715,win29200,options[mss1418,sackOK,TSval486800541ecr0,nop,wscale7],length0
1400.589277IP172.17.0.2.80>10.255.255.5.39058:Flags[S.],seq1630206251,ack332257716,win4880,options[mss256,sackOK,TSval2509376001ecr486800541,nop,wscale7],length0
1400.589894IP10.255.255.5.39058>172.17.0.2.80:Flags[.],ack1,win229,options[nop,nop,TSval486800541ecr2509376001],length0
1403.589352IP10.255.255.5.39058>172.17.0.2.80:Flags[F.],seq76,ack1,win229,options[nop,nop,TSval486803541ecr2509376001],length0
1403.589417IP172.17.0.2.80>10.255.255.5.39058:Flags[.],ack1,win40,options[nop,nop,TSval2509379001ecr486800541,nop,nop,sack1{76:77}],length0

从 tcpdump 的输出中，我们就可以看到：

• 前三个包是正常的 TCP 三次握手，这没问题；
• 但第四个包却是在 3 秒以后了，并且还是客户端（VM2）发送过来的 FIN 包，说明客户端的连接关闭了

根据 curl 设置的 3 秒超时选项，你应该能猜到，这是因为 curl 命令超时后退出了。用 Wireshark 的 Flow Graph 来表示，

你可以更清楚地看到上面这个问题：

这里比较奇怪的是，我们并没有抓取到 curl 发来的 HTTP GET 请求。那究竟是网卡丢包了，还是客户端就没发过来呢？

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

KernelInterfacetable
IfaceMTURX-OKRX-ERRRX-DRPRX-OVRTX-OKTX-ERRTX-DRPTX-OVRFlg
eth01001570344094000BMRU
lo6553600000000LRU

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。

ifconfigeth0mtu1500

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-time3http://192.168.0.30/
#输出


...
Thankyouforusingnginx.

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。