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# 34 | 关于 Linux 网络，你必须知道这些（下）
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你好，我是倪朋飞。
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上一节，我带你学习了 Linux 网络的基础原理。简单回顾一下，Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
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应用程序通过套接字接口发送数据包时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。
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了解Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
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## 性能指标
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实际上，我们通常用带宽、吞吐量、延时、PPS（Packet Per Second）等指标衡量网络的性能。
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* **带宽**，表示链路的最大传输速率，单位通常为 b/s （比特/秒）。
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* **吞吐量**，表示单位时间内成功传输的数据量，单位通常为 b/s（比特/秒）或者 B/s（字节/秒）。吞吐量受带宽限制，而吞吐量/带宽，也就是该网络的使用率。
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* **延时**，表示从网络请求发出后，一直到收到远端响应，所需要的时间延迟。在不同场景中，这一指标可能会有不同含义。比如，它可以表示，建立连接需要的时间（比如 TCP 握手延时），或一个数据包往返所需的时间（比如 RTT）。
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* **PPS**，是 Packet Per Second（包/秒）的缩写，表示以网络包为单位的传输速率。PPS 通常用来评估网络的转发能力，比如硬件交换机，通常可以达到线性转发（即 PPS 可以达到或者接近理论最大值）。而基于 Linux 服务器的转发，则容易受网络包大小的影响。
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除了这些指标，**网络的可用性**（网络能否正常通信）、**并发连接数**（TCP连接数量）、**丢包率**（丢包百分比）、**重传率**（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。
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接下来，请你打开一个终端，SSH登录到服务器上，然后跟我一起来探索、观测这些性能指标。
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## **网络配置**
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分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。我个人更推荐使用 ip 工具，因为它提供了更丰富的功能和更易用的接口。
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> ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代。通常情况下它们会在发行版中默认安装。但如果你找不到 ifconfig 或者 ip 命令，可以安装这两个软件包。
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以网络接口 eth0 为例，你可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：
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```
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$ ifconfig eth0
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eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
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inet 10.240.0.30 netmask 255.240.0.0 broadcast 10.255.255.255
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inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
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ether 78:0d:3a:07:cf:3a txqueuelen 1000 (Ethernet)
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RX packets 40809142 bytes 9542369803 (9.5 GB)
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RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
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TX packets 32637401 bytes 4815573306 (4.8 GB)
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TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
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$ ip -s addr show dev eth0
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2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
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link/ether 78:0d:3a:07:cf:3a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
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inet 10.240.0.30/12 brd 10.255.255.255 scope global eth0
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valid_lft forever preferred_lft forever
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inet6 fe80::20d:3aff:fe07:cf2a/64 scope link
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valid_lft forever preferred_lft forever
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RX: bytes packets errors dropped overrun mcast
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9542432350 40809397 0 0 0 193
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TX: bytes packets errors dropped carrier collsns
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4815625265 32637658 0 0 0 0
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```
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你可以看到，ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
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这些具体指标的含义，在文档中都有详细的说明，不过，这里有几个跟网络性能密切相关的指标，需要你特别关注一下。
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第一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER\_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。
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第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
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第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。
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第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。其中：
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* errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
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* dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包；
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* overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；
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* carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；
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* collisions 表示碰撞数据包数。
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## **套接字信息**
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ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注。你可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。
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我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
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比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：
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```
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# head -n 3 表示只显示前面3行
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# -l 表示只显示监听套接字
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# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
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# -p 表示显示进程信息
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$ netstat -nlp | head -n 3
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Active Internet connections (only servers)
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Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name
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tcp 0 0 127.0.0.53:53 0.0.0.0:* LISTEN 840/systemd-resolve
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# -l 表示只显示监听套接字
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# -t 表示只显示 TCP 套接字
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# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
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# -p 表示显示进程信息
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$ ss -ltnp | head -n 3
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State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
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LISTEN 0 128 127.0.0.53%lo:53 0.0.0.0:* users:(("systemd-resolve",pid=840,fd=13))
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LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* users:(("sshd",pid=1459,fd=3))
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```
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netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。
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其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
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当套接字处于连接状态（Established）时，
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* Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。
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* 而 Send-Q 表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。
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当套接字处于监听状态（Listening）时，
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* Recv-Q 表示全连接队列的长度。
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* 而 Send-Q 表示全连接队列的最大长度。
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所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。
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与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。
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## **协议栈统计信息**
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类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
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```
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$ netstat -s
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...
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Tcp:
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3244906 active connection openings
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23143 passive connection openings
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115732 failed connection attempts
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2964 connection resets received
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1 connections established
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13025010 segments received
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17606946 segments sent out
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44438 segments retransmitted
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42 bad segments received
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5315 resets sent
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InCsumErrors: 42
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...
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$ ss -s
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Total: 186 (kernel 1446)
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TCP: 4 (estab 1, closed 0, orphaned 0, synrecv 0, timewait 0/0), ports 0
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Transport Total IP IPv6
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* 1446 - -
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RAW 2 1 1
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UDP 2 2 0
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TCP 4 3 1
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...
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```
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这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息。
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比如，上面 netstat 的输出示例，就展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
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## **网络吞吐和 PPS**
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接下来，我们再来看看，如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。在这里，我推荐使用我们的老朋友 sar，在前面的 CPU、内存和 I/O 模块中，我们已经多次用到它。
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给 sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等。执行下面的命令，你就可以得到网络接口统计信息：
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# 数字1表示每隔1秒输出一组数据
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$ sar -n DEV 1
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Linux 4.15.0-1035 (ubuntu) 01/06/19 _x86_64_ (2 CPU)
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13:21:40 IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil
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13:21:41 eth0 18.00 20.00 5.79 4.25 0.00 0.00 0.00 0.00
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13:21:41 docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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13:21:41 lo 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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```
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这儿输出的指标比较多，我来简单解释下它们的含义。
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* rxpck/s 和 txpck/s 分别是接收和发送的 PPS，单位为包/秒。
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* rxkB/s 和 txkB/s 分别是接收和发送的吞吐量，单位是KB/秒。
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* rxcmp/s 和 txcmp/s 分别是接收和发送的压缩数据包数，单位是包/秒。
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* %ifutil 是网络接口的使用率，即半双工模式下为 (rxkB/s+txkB/s)/Bandwidth，而全双工模式下为 max(rxkB/s, txkB/s)/Bandwidth。
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其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：
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```
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$ ethtool eth0 | grep Speed
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Speed: 1000Mb/s
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```
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## **连通性和延时**
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最后，我们通常使用 ping ，来测试远程主机的连通性和延时，而这基于 ICMP 协议。比如，执行下面的命令，你就可以测试本机到 114.114.114.114 这个 IP 地址的连通性和延时：
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```
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# -c3表示发送三次ICMP包后停止
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$ ping -c3 114.114.114.114
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PING 114.114.114.114 (114.114.114.114) 56(84) bytes of data.
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64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=1 ttl=54 time=244 ms
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64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=2 ttl=47 time=244 ms
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64 bytes from 114.114.114.114: icmp_seq=3 ttl=67 time=244 ms
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--- 114.114.114.114 ping statistics ---
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3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2001ms
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rtt min/avg/max/mdev = 244.023/244.070/244.105/0.034 ms
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```
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ping 的输出，可以分为两部分。
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* 第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp\_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。
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* 第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。
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比如上面的示例显示，发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 114.114.114.114 是连通的；平均往返延时（RTT）是 244ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到 114.114.114.114 回复的确认，总共经历 244ms。
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## 小结
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我们通常使用带宽、吞吐量、延时等指标，来衡量网络的性能；相应的，你可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。
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在下一节中，我将以经典的 C10K 和 C100K 问题，带你进一步深入 Linux 网络的工作原理。
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## 思考
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最后，我想请你来聊聊，你理解的 Linux 网络性能。你常用什么指标来衡量网络的性能？又用什么思路分析相应性能问题呢？你可以结合今天学到的知识，提出自己的观点。
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欢迎在留言区和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。
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