高并發(fā)情況下Linux系統(tǒng)及kernel參數優(yōu)化
眾所周知在默認參數情況下Linux對高并發(fā)支持并不好，主要受限于單進程最大打開文件數限制、內核TCP參數方面和IO事件分配機制等。下面就從幾方面來調整使Linux系統(tǒng)能夠支持高并發(fā)環(huán)境。
iptables相關
如非必須，關掉或卸載iptables防火墻，并阻止kernel加載iptables模塊。這些模塊會影響并發(fā)性能。
單進程最大打開文件數限制
一般的發(fā)行版，限制單進程最大可以打開1024個文件，這是遠遠不能滿足高并發(fā)需求的，調整過程如下：
在#號提示符下敲入：
- # ulimit –n 65535
將root啟動的單一進程的最大可以打開的文件數設置為65535個。如果系統(tǒng)回顯類似于“Operationnotpermitted”之類的話，說明上述限制修改失敗，實際上是因為在中指定的數值超過了Linux系統(tǒng)對該用戶打開文件數的軟限制或硬限制。因此，就需要修改Linux系統(tǒng)對用戶的關于打開文件數的軟限制和硬限制。
第一步，修改limits.conf文件，并添加：
- # vim /etc/security/limits.conf
- * soft nofile 65535
- * hard nofile 65535
其中'*'號表示修改所有用戶的限制;soft或hard指定要修改軟限制還是硬限制;65536則指定了想要修改的新的限制值，即最大打開文件數(請注意軟限制值要小于或等于硬限制)。修改完后保存文件。
第二步，修改/etc/pam.d/login文件，在文件中添加如下行：
- # vim /etc/pam.d/login
- sessionrequired /lib/security/pam_limits.so
這是告訴Linux在用戶完成系統(tǒng)登錄后，應該調用pam_limits.so模塊來設置系統(tǒng)對該用戶可使用的各種資源數量的最大限制(包括用戶可打開的最大文件數限制)，而pam_limits.so模塊就會從/etc/security/limits.conf文件中讀取配置來設置這些限制值。修改完后保存此文件。
第三步，查看Linux系統(tǒng)級的最大打開文件數限制，使用如下命令：
- # cat/proc/sys/fs/file-max
- 32568
這表明這臺Linux系統(tǒng)最多允許同時打開(即包含所有用戶打開文件數總和)32568個文件，是Linux系統(tǒng)級硬限制，所有用戶級的打開文件數限制都不應超過這個數值。通常這個系統(tǒng)級硬限制是Linux系統(tǒng)在啟動時根據系統(tǒng)硬件資源狀況計算出來的最佳的最大同時打開文件數限制，如果沒有特殊需要，不應該修改此限制，除非想為用戶級打開文件數限制設置超過此限制的值。修改此硬限制的方法是修改/etc/sysctl.conf文件內fs.file-max= 131072
這是讓Linux在啟動完成后強行將系統(tǒng)級打開文件數硬限制設置為131072。修改完后保存此文件。
完成上述步驟后重啟系統(tǒng)，一般情況下就可以將Linux系統(tǒng)對指定用戶的單一進程允許同時打開的最大文件數限制設為指定的數值。如果重啟后用ulimit-n命令查看用戶可打開文件數限制仍然低于上述步驟中設置的最大值，這可能是因為在用戶登錄腳本/etc/profile中使用ulimit-n命令已經將用戶可同時打開的文件數做了限制。由于通過ulimit-n修改系統(tǒng)對用戶可同時打開文件的最大數限制時，新修改的值只能小于或等于上次ulimit-n設置的值，因此想用此命令增大這個限制值是不可能的。所以，如果有上述問題存在，就只能去打開/etc/profile腳本文件，在文件中查找是否使用了ulimit-n限制了用戶可同時打開的最大文件數量，如果找到，則刪除這行命令，或者將其設置的值改為合適的值，然后保存文件，用戶退出并重新登錄系統(tǒng)即可。
通過上述步驟，就為支持高并發(fā)TCP連接處理的通訊處理程序解除關于打開文件數量方面的系統(tǒng)限制。
內核TCP參數方面
Linux系統(tǒng)下，TCP連接斷開后，會以TIME_WAIT狀態(tài)保留一定的時間，然后才會釋放端口。當并發(fā)請求過多的時候，就會產生大量的TIME_WAIT狀態(tài)的連接，無法及時斷開的話，會占用大量的端口資源和服務器資源。這個時候我們可以優(yōu)化TCP的內核參數，來及時將TIME_WAIT狀態(tài)的端口清理掉。
下面介紹的方法只對擁有大量TIME_WAIT狀態(tài)的連接導致系統(tǒng)資源消耗有效，如果不是這種情況下，效果可能不明顯。可以使用netstat命令去查TIME_WAIT狀態(tài)的連接狀態(tài)，輸入下面的組合命令，查看當前TCP連接的狀態(tài)和對應的連接數量：
- # netstat-n | awk ‘/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}’
這個命令會輸出類似下面的結果：
- LAST_ACK16
- SYN_RECV348
- ESTABLISHED70
- FIN_WAIT1229
- FIN_WAIT230
- CLOSING33
- TIME_WAIT18098
我們只用關心TIME_WAIT的個數，在這里可以看到，有18000多個TIME_WAIT，這樣就占用了18000多個端口。要知道端口的數量只有65535個，占用一個少一個，會嚴重的影響到后繼的新連接。這種情況下，我們就有必要調整下Linux的TCP內核參數，讓系統(tǒng)更快的釋放TIME_WAIT連接。
編輯配置文件:/etc/sysctl.conf，在這個文件中，加入下面的幾行內容：
- # vim /etc/sysctl.conf
- net.ipv4.tcp_syncookies= 1
- net.ipv4.tcp_tw_reuse= 1
- net.ipv4.tcp_tw_recycle= 1
- net.ipv4.tcp_fin_timeout= 30
輸入下面的命令，讓內核參數生效：
- # sysctl-p
簡單的說明上面的參數的含義：
- net.ipv4.tcp_syncookies= 1
表示開啟SYNCookies。當出現SYN等待隊列溢出時，啟用cookies來處理，可防范少量SYN攻擊，默認為0，表示關閉;
- net.ipv4.tcp_tw_reuse= 1
表示開啟重用。允許將TIME-WAITsockets重新用于新的TCP連接，默認為0，表示關閉;
- net.ipv4.tcp_tw_recycle= 1
表示開啟TCP連接中TIME-WAITsockets的快速回收，默認為0，表示關閉;
- net.ipv4.tcp_fin_timeout
修改系統(tǒng)默認的TIMEOUT 時間。
在經過這樣的調整之后，除了會進一步提升服務器的負載能力之外，還能夠防御小流量程度的DoS、CC和SYN攻擊。
此外，如果你的連接數本身就很多，我們可以再優(yōu)化一下TCP的可使用端口范圍，進一步提升服務器的并發(fā)能力。依然是往上面的參數文件中，加入下面這些配置：
- net.ipv4.tcp_keepalive_time= 1200
- net.ipv4.ip_local_port_range= 1024 65535
- net.ipv4.tcp_max_syn_backlog= 8192
- net.ipv4.tcp_max_tw_buckets= 5000
這幾個參數，建議只在流量非常大的服務器上開啟，會有顯著的效果。一般的流量小的服務器上，沒有必要去設置這幾個參數。
- net.ipv4.tcp_keepalive_time= 1200
表示當keepalive起用的時候，TCP發(fā)送keepalive消息的頻度。缺省是2小時，改為20分鐘。
- ip_local_port_range= 1024 65535
表示用于向外連接的端口范圍。缺省情況下很小，改為1024到65535。
- net.ipv4.tcp_max_syn_backlog= 8192
表示SYN隊列的長度，默認為1024，加大隊列長度為8192，可以容納更多等待連接的網絡連接數。
- net.ipv4.tcp_max_tw_buckets= 5000
表示系統(tǒng)同時保持TIME_WAIT的最大數量，如果超過這個數字，TIME_WAIT將立刻被清除并打印警告信息。默認為180000，改為5000。此項參數可以控制TIME_WAIT的最大數量，只要超出了。
內核其他TCP參數說明
- net.ipv4.tcp_max_syn_backlog= 65535
記錄的那些尚未收到客戶端確認信息的連接請求的最大值。對于有128M內存的系統(tǒng)而言，缺省值是1024，小內存的系統(tǒng)則是128。
- net.core.netdev_max_backlog= 32768
每個網絡接口接收數據包的速率比內核處理這些包的速率快時，允許送到隊列的數據包的最大數目。
- net.core.somaxconn= 32768
例如web應用中l(wèi)isten函數的backlog默認會給我們內核參數的net.core.somaxconn限制到128，而nginx定義的NGX_LISTEN_BACKLOG默認為511，所以有必要調整這個值。
- net.core.wmem_default= 8388608
- net.core.rmem_default= 8388608
- net.core.rmem_max= 16777216 #最大socket讀buffer,可參考的優(yōu)化值:873200
- net.core.wmem_max= 16777216 #最大socket寫buffer,可參考的優(yōu)化值:873200
- net.ipv4.tcp_timestsmps= 0
時間戳可以避免序列號的卷繞。一個1Gbps的鏈路肯定會遇到以前用過的序列號。時間戳能夠讓內核接受這種“異常”的數據包。這里需要將其關掉。
- net.ipv4.tcp_synack_retries= 2
為了打開對端的連接，內核需要發(fā)送一個SYN并附帶一個回應前面一個SYN的ACK。也就是所謂三次握手中的第二次握手。這個設置決定了內核放棄連接之前發(fā)送SYN+ACK包的數量。
- net.ipv4.tcp_syn_retries= 2
在內核放棄建立連接之前發(fā)送SYN包的數量。
- #net.ipv4.tcp_tw_len= 1
- net.ipv4.tcp_tw_reuse= 1
開啟重用。允許將TIME-WAITsockets重新用于新的TCP連接。
- net.ipv4.tcp_wmem= 8192 436600 873200
TCP寫buffer,可參考的優(yōu)化值:8192 436600 873200
- net.ipv4.tcp_rmem = 32768 436600 873200
TCP讀buffer,可參考的優(yōu)化值:32768 436600 873200
- net.ipv4.tcp_mem= 94500000 91500000 92700000
同樣有3個值,意思是:
net.ipv4.tcp_mem[0]:低于此值，TCP沒有內存壓力。
net.ipv4.tcp_mem[1]:在此值下，進入內存壓力階段。
net.ipv4.tcp_mem[2]:高于此值，TCP拒絕分配socket。
上述內存單位是頁，而不是字節(jié)。可參考的優(yōu)化值是:7864321048576 1572864
- net.ipv4.tcp_max_orphans= 3276800
系統(tǒng)中最多有多少個TCP套接字不被關聯到任何一個用戶文件句柄上。
如果超過這個數字，連接將即刻被復位并打印出警告信息。
這個限制僅僅是為了防止簡單的DoS攻擊，不能過分依靠它或者人為地減小這個值，
更應該增加這個值(如果增加了內存之后)。
- net.ipv4.tcp_fin_timeout= 30
如果套接字由本端要求關閉，這個參數決定了它保持在FIN-WAIT-2狀態(tài)的時間。對端可以出錯并永遠不關閉連接，甚至意外當機。缺省值是60秒。2.2 內核的通常值是180秒，你可以按這個設置，但要記住的是，即使你的機器是一個輕載的WEB服務器，也有因為大量的死套接字而內存溢出的風險，FIN-WAIT-2的危險性比FIN-WAIT-1要小，因為它最多只能吃掉1.5K內存，但是它們的生存期長些。
同時還涉及到一個TCP 擁塞算法的問題，你可以用下面的命令查看本機提供的擁塞算法控制模塊：
- sysctlnet.ipv4.tcp_available_congestion_control
對于幾種算法的分析，詳情可以參考下：TCP擁塞控制算法的優(yōu)缺點、適用環(huán)境、性能分析，比如高延時可以試用hybla，中等延時可以試用htcp算法等。
如果想設置TCP 擁塞算法為hybla
- net.ipv4.tcp_congestion_control=hybla
額外的，對于內核版高于于3.7.1的，我們可以開啟tcp_fastopen：
- net.ipv4.tcp_fastopen= 3
IO事件分配機制
在Linux啟用高并發(fā)TCP連接，必須確認應用程序是否使用了合適的網絡I/O技術和I/O事件分派機制。可用的I/O技術有同步I/O，非阻塞式同步I/O，以及異步I/O。在高TCP并發(fā)的情形下，如果使用同步I/O，這會嚴重阻塞程序的運轉，除非為每個TCP連接的I/O創(chuàng)建一個線程。但是，過多的線程又會因系統(tǒng)對線程的調度造成巨大開銷。因此，在高TCP并發(fā)的情形下使用同步I/O是不可取的，這時可以考慮使用非阻塞式同步I/O或異步I/O。非阻塞式同步I/O的技術包括使用select()，poll()，epoll等機制。異步I/O的技術就是使用AIO。
從I/O事件分派機制來看，使用select()是不合適的，因為它所支持的并發(fā)連接數有限(通常在1024個以內)。如果考慮性能，poll()也是不合適的，盡管它可以支持的較高的TCP并發(fā)數，但是由于其采用“輪詢”機制，當并發(fā)數較高時，其運行效率相當低，并可能存在I/O事件分派不均，導致部分TCP連接上的I/O出現“饑餓”現象。而如果使用epoll或AIO，則沒有上述問題(早期Linux內核的AIO技術實現是通過在內核中為每個I/O請求創(chuàng)建一個線程來實現的，這種實現機制在高并發(fā)TCP連接的情形下使用其實也有嚴重的性能問題。但在最新的Linux內核中，AIO的實現已經得到改進)。
綜上所述，在開發(fā)支持高并發(fā)TCP連接的Linux應用程序時，應盡量使用epoll或AIO技術來實現并發(fā)的TCP連接上的I/O控制，這將為提升程序對高并發(fā)TCP連接的支持提供有效的I/O保證。
經過這樣的優(yōu)化配置之后，服務器的TCP并發(fā)處理能力會顯著提高。以上配置僅供參考，用于生產環(huán)境請根據自己的實際情況調整觀察再調整。
