????? 在現代計算環境中，網絡性能對于系統的整體性能至關重要。網絡瓶頸不僅會影響數據傳輸速度，還會影響應用程序的響應時間，最終影響用戶體驗。為了有效地解決網絡性能問題，了解和使用各種追蹤工具至關重要。另外一方面，造成網絡性能問題的原因有很多，而本文主要關注從Linux內核的角度對網絡性能問題的追蹤。本文將介紹三種在Linux下常用的性能追蹤工具：LTTng、ftrace和內核打印輸出，利用這三種工具，可以分別從Linux內核四層及以下協議棧實現代碼以及Linux內核應用層協議實現代碼入手，在主機上對網絡性能問題進行跟蹤。

2. Linux內核網絡協議棧

????? Linux內核網絡協議棧是一個復雜且高效的系統實現，用于處理所有網絡通信任務。它涵蓋了從底層的硬件接口到高層的應用協議，負責數據包的接收、處理、轉發和發送。理解Linux內核網絡協議棧的結構和工作原理，對于優化網絡性能、開發網絡應用和排除網絡故障非常重要。

Linux內核網絡協議棧遵循OSI模型和TCP/IP模型的層次結構，主要包括以下幾個層次：

1. 物理層：負責實際的硬件傳輸，如網卡驅動程序。
2. 數據鏈路層：包括以太網協議，負責數據幀的封裝和解封裝。
3. 網絡層：主要包括IP協議，負責數據包的路由和轉發。
4. 傳輸層：包括TCP和UDP協議，負責端到端的數據傳輸。
5. 應用層：包括NFS等協議，直接服務于應用。

圖1 Linux內核網絡協議棧

????? 圖1是Linux內核網絡協議棧結構，摘自騰訊云開發者社區[1]。由圖可見，在Linux系統中，網絡報文的接收沿著Linux網絡協議棧向上流轉，而網絡報文的發送沿著Linux網絡協議棧向下流轉。我們可以利用工具在Linux網絡協議棧實現的各個部分進行追蹤和分析，就能定位網絡性能問題的根源。

3. ?ftrace工具

????? ftrace 是 Linux 內核提供的一種強大的跟蹤框架，主要用于診斷和調試內核中的性能和功能問題。ftrace 允許開發人員和系統管理員跟蹤內核函數的調用、系統事件和其他內核行為 [2]。

?????? ftrace 的基礎是 trace 文件系統，它位于 /sys/kernel/debug/tracing 目錄下。該文件系統包含許多文件和子目錄，用于配置和查看跟蹤數據。Ftrace 通過對這些文件進行讀寫操作來控制和獲取跟蹤信息。

ftrace 支持多種跟蹤器（tracer），每種跟蹤器提供不同的跟蹤功能。主要的跟蹤器包括：

1. function tracer: 跟蹤內核函數的調用和返回。
2. function_graph tracer: 跟蹤內核函數調用圖，包括函數的調用關系和時間消耗。
3. sched tracer: 跟蹤調度事件。
4. irq tracer: 跟蹤中斷處理事件。

????? ftrace 使用內核中的跟蹤點（tracepoints）來收集數據。跟蹤點是內核代碼中的特定位置，當代碼執行到這些位置時，會觸發一個事件記錄。這些事件記錄了各種信息，如時間戳、CPU ID、進程 ID 等。

???? ftrace 使用內核的環形緩沖區（ring buffer）來存儲跟蹤數據。環形緩沖區的大小是可配置的，當緩沖區滿時，新的跟蹤數據會覆蓋最舊的數據。用戶可以從緩沖區讀取跟蹤數據進行分析。

圖2 利用ftrace對Linux網絡協議棧進行追蹤

????? 圖2是國科環宇利用ftrace對Linux網絡協議棧進行追蹤的結果，從上圖可見，套接字在發送過程中，由于要處理外設中斷，導致了網絡發送性能下降。

4. ?LTTng工具

????? LTTng（Linux Trace Toolkit Next Generation）是一款功能強大的跟蹤工具，用于捕獲和分析Linux系統中的內核和用戶空間事件。LTTng內核跟蹤器通過內核模塊實現，這些模塊在內核空間中插入跟蹤點，用于捕獲內核事件。常見的內核模塊包括 lttng-modules，這些模塊提供了捕獲系統調用、調度事件、中斷處理等功能。LTTng設計了一套高效的事件處理機制，包括鎖定最小化、CPU本地緩存和批量處理等，確保在高負載下的低開銷和高性能。

????? 國科環宇將利用LTTng在高負載下的優良特性，對網絡協議棧的性能問題進行追蹤和排查。

5. ?內核打印輸出

????? 對于實現在內核的應用層協議如果出現性能問題，很難用常規的方法對其進行定位，這時利用內核打印輸出可以比較清晰地追蹤到性能瓶頸的根源。

????? 例如sunrpc.nfs_debug 和 sunrpc.rpc_debug 是 Linux 內核中用于調試 NFS（Network File System）和 RPC（Remote Procedure Call）功能的調試選項。它們通常用于開發和調試階段，以幫助診斷和解決與 NFS 和 RPC 相關的問題。

????? sunrpc.nfs_debug用于啟用 NFS 客戶端和服務器端的調試信息輸出。它允許開發人員和系統管理員跟蹤和調查 NFS 文件系統的運行時行為。通過設置sunrpc.nfs_debug可以跟蹤 NFS 操作，例如文件的讀寫請求。捕獲 NFS 錯誤和超時情況。分析 NFS 客戶端與服務器之間的通信問題。

????? sunrpc.rpc_debug 用于啟用 RPC（Remote Procedure Call）層的調試信息輸出。RPC 是一個用于遠程過程調用的協議，NFS 以及許多其他網絡服務都使用 RPC 進行通信。通過設置sunrpc.rpc_debug，可以跟蹤 RPC 消息的發送和接收。捕獲 RPC 調用失敗或超時情況。分析 RPC 協議層面的問題，如協議版本不匹配或消息格式錯誤。

????? sunrpc.nfs_debug 和 sunrpc.rpc_debug的輸出都是以內核打印的形式呈現的。

6. 結論

????? 在 Linux 系統調試和性能優化中，選擇適當的工具取決于具體的需求和場景。LTTng 和 ftrace 提供了強大的跟蹤能力和高級的數據分析功能，適合復雜的調試和性能分析任務；而內核打印輸出則是一個簡單但實用的調試工具，適合對實現在內核的應用層協議進行跟蹤。根據實際情況靈活選擇和組合使用這些工具，能夠更有效地提升系統的可靠性和性能。

7. 參考文獻

[1] Linux Networking Stack: Sending Data. kernel|network| Linux Networking Stack: Sending Data-騰訊云開發者社區-騰訊云

[2] ftrace - Function Tracer . https://www.kernel.org/doc/html/v4.17/trace/ftrace.html