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# 22 | 为什么压力测试TPS总是上不去？
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你好，我是胜辉。
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在上一讲里，我们排查了一个跟操作系统紧密相关的性能问题。我们结合top和strace这两个工具，抓住了关键点，从而解决了问题。性能问题，确实也是我们日常技术工作中的一个重要话题。在出现性能问题以后，我们要有能力搞定它；而在出现性能问题之前，最好能提前预见到它。而要“预见”性能瓶颈，最好的方法就是做**压力测试**。
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但是，我们在做压力测试的过程中也时常出现预料不到的情况。比如在离预期的瓶颈值还很远的时候，系统就出现了各种意外，影响到压力测试的继续进行。
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那么在这节课里，我们会回顾几个典型的压力测试场景中的网络问题，一起来学习其中的关键要点。同时，我们还会学习一系列跟网络性能相关的压测工具和检测工具，这样以后你遇到类似的问题时，就有所准备了。
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## 压测要做什么？
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压力测试的诉求实际上多种多样，不过大体上可以分为这几种。
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**应用的承受能力**：这主要在第七层应用层，比如发起了压测，把服务端的CPU打到95%甚至100%，观察这时候的请求的TPS、请求耗时、并发量等等。而这些对于不同的业务场景，又会有不同的侧重点。比如：
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* 对于时间敏感型业务来说，请求耗时（Latency）这个指标就是关键了。
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* 对于经常做秒杀的电商来说，并发处理量TPS（Transaction Per Second）就是一个核心关注点了。
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**LB的连接处理能力**：这主要在第四层TCP，看LB能最大支持的TCP并发连接数。这时候，发起压测的客户端一般会指定比较大的并发数，这样就可以发起尽量多的TCP连接。
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**网络的承受能力**：这可能主要在第三层IP层了，比如测试上行和下行带宽能否跑满、是否有丢包和额外的延迟，等等。特别是对于一些流量比较大的场景，很可能服务端计算能力都还在，但带宽已经不够用了，所以我们要提前发现这些隐患。
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## 案例1：压测TPS上不去
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我们有个客户是传统企业转型做电商，有一次准备搞大促。为了确保大促顺利，他们要提前对网站进行压测。
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客户用的压测工具比较简单，是Apache ab。ab是Apache Benchmark的缩写，它的用途就是对HTTP服务端发起测试，以获得性能指标（Benchmark）。ab本身不是独立安装的，而是在apache2-utils工具包里，所以你可以这样来安装它：
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```bash
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apt install apache2-utils
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```
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ab是一个轻量级的工具，因为相对其他重量级的工具比如LoadRunner或者JMeter来说，ab只要一行命令就可以发起压测了，是不是很省事？比如你可以这样：
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```bash
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ab -c 100 -n 10000 目标URL
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```
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通过上面的命令，你就用-c 100这个参数，让ab发起了100个并发的请求，而-n 10000指定了总共发送的请求量。
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> 补充：这里有一个小的注意点。如果目标URL只是站点名本身，还是需要在结尾处加上“`>/`”，要不然ab会报这个错误：`ab: invalid URL`
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比如我用下面这条ab命令，对一个著名网站发起“压测”，当然我的参数选择的很小，只有10个并发，一共100次请求，尽量避免打扰到这个网站。我们可以看一下输出：
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```bash
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$ ab -c 10 -n 100 https://www.baidu.com/abc
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This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1843412 $>
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Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd, http://www.zeustech.net/
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Licensed to The Apache Software Foundation, http://www.apache.org/
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Benchmarking www.baidu.com (be patient).....done
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Server Software: Apache
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Server Hostname: www.baidu.com
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Server Port: 443
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SSL/TLS Protocol: TLSv1.2,ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256,2048,128
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Server Temp Key: ECDH P-256 256 bits
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TLS Server Name: www.baidu.com
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Document Path: /abc
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Document Length: 201 bytes
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Concurrency Level: 10
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Time taken for tests: 9.091 seconds
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Complete requests: 100
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Failed requests: 0
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Non-2xx responses: 100
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Total transferred: 34600 bytes
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HTML transferred: 20100 bytes
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Requests per second: 11.00 [#/sec] (mean)
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Time per request: 909.051 [ms] (mean)
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Time per request: 90.905 [ms] (mean, across all concurrent requests)
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Transfer rate: 3.72 [Kbytes/sec] received
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Connection Times (ms)
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min mean[+/-sd] median max
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Connect: 141 799 429.9 738 4645
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Processing: 19 67 102.0 23 416
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Waiting: 17 67 101.8 23 416
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Total: 162 866 439.7 796 4666
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Percentage of the requests served within a certain time (ms)
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50% 796
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66% 877
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75% 944
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80% 1035
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90% 1093
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95% 1339
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98% 1530
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99% 4666
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100% 4666 (longest request)
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```
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结尾部分的多个Percentage，确切地说就是Percentile，也就是百分位。比如50% 796这一行的意思是：第50个请求（因为总数是100个）的耗时小于等于796毫秒，另外50个请求大于796毫秒。那么我们也可以知道，耗时最长的那个就是排最后一名的4666，它的耗时是4666毫秒。
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这次，客户用ab时指定的具体参数是这样的：
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```bash
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ab -k -c 500 -n 100000 http://site.name.com/path
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```
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也就是并发数为500，总次数为10万，而-k参数是启用长连接。然后就是查看以下两个主要指标：
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* ab这个客户端的耗时分布，也就是前面刚介绍过的各个百分位的耗时数值。
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* 服务端的性能指标，也就是在这个压力下面，服务端的CPU、内存、网络丢包率等的统计数值。
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压测过程中，客户发现测试端的带宽用到400Mbps后，TPS就上不去了，无论把并发量或者总量的数值进行怎样的调整，TPS都会维持在一个稳定的数值。
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```bash
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Transfer rate: 52087.82 [Kbytes/sec] received
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```
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那究竟是不是购买的服务端主机的性能不够的原因呢？要知道，客户端和服务端都是1Gbps的网卡，客户是想压满100%的带宽，现在只用到了40%的带宽，TPS就上不去了。
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为什么会这样呢？
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我们就跟客户配合，一边做ab压测，一边做了4秒钟的tcpdump抓包，这对采样分析来说也够用了。然后打开抓包文件，查看专家信息（Expert Information），如下：
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> 补充：抓包示例文件已经上传至[Gitee](https://gitee.com/steelvictor/network-analysis/tree/master/22)，建议结合抓包文件和文稿一起学习。
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这次我就不做标记了，你自己先找找看，能否找到一些问题？
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你有没有发现，GET有1603次（倒数第三行），而RST有1982次（第三行），比GET这种HTTP请求的次数还更多。也就是说，平摊的话，每次GET请求对应了一次以上的RST。这个现象会不会跟TPS上不去的问题有关系呢？
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我们选一个RST来看一下情况。比如14031号报文：
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然后Follow -> TCP Stream，就来到了这条TCP流：
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在这里，你有没有发现两个重传报文？一个是6504号报文，一个是7340号报文。我们再进一步看一下这两个的重传的原因是什么。一般来说，判断一个报文是否是重传，最方便的就是借助Wireshark本身提供的提示，Wireshark说是Retransmission，那就是了。
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那么假设世界上还没有Wireshark，你又**如何判断一个报文是否是重传呢？**其实可以根据两个关键信息：**序列号、载荷长度**。
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我在之前的课程里提到过，序列号本身反映的就是字节位置，载荷的长度就表示这段报文的实际字节长度，这两个信息就确定了信息的**起点和终点**，也就是决定了一个报文是否是之前报文的重传。
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在上面的截图里，我们根据序列号（Sequence Number列）和载荷长度（TCP Seglen列），判断出下面两次重传：
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可见，7340是3155报文的重传，因为它们的序列号都是9593，载荷长度都是1061。同样的道理，6504和3156也是一对重传关系。
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当然，我们也可以直接在Wireshark里选中7340号报文，它的基础报文也就是3155的**前面会出现一个小圆点**，就像下图这样：
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总之，我们确认TCP传输中是有丢包和重传现象的，我们可以回头从专家信息那里得到证实，这里显示有184个Suprious重传和2274个（超时）重传。
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> 补充：而出现RST的原因，是客户端在已经没有了这个TCP连接的情况下，收到了服务端的ACK报文。从现象来看，客户端应该是做了TIME\_WAIT优化的设置，我们后面的实验里也会带到。
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考虑到这是在压测场景中出现的丢包现象，我们根据经验，想到了**网卡包量**的问题。
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一般说到网络性能，我们会讨论的就是带宽、时延、网速等等这些指标。实际上，另外一个性能指标常常在达到带宽极限之前就已经触顶了，它就是包量。
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**包量是对PPS（Packet Per Second）的简称，一般用来衡量一台主机的网络处理能力。**那么，这次是不是触及了服务端主机的包量上限了呢？我们又如何检查包量指标呢？
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我们需要用的工具是sar。
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### 性能工具sar
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sar是sysstat工具集的一部分。这个工具集包含了一些很有用的工具，除了sar，还有mpstat、iostat等等。如果你平时经常做操作系统维护方面的工作，应该对它们比较熟悉了。这些工具还有一个共同的特点，运行的时候一般都是加上“间隔 次数”这样的参数的。也就是下面这样：
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```bash
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sar -n DEV 1 10 #查看网卡性能
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iostat 1 10 #查看IO性能
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mpstat 2 5 #查看CPU性能
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```
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这些工具会按指定的时间间隔，运行指定的次数后再退出。这样我们就可以观察到这段时间内的多次输出了，很适合通过这种多次的观察，得到比较准确的性能数据趋势。
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这次我们也在被压测的服务端云主机上运行了 `sar -n DEV`，得到了以下的性能数据：
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前面说的包量，就是体现在两个pck/s指标中，一个是 **rxpck/s**，就是接收方向的包量；一个是 **txpck/s**，就是发送方向的包量。显然，图中的数值已经在5万左右，这个正是当时我们云主机性能的上限。难怪服务端已经无法提供更高的TPS了，因为网络包的处理都来不及做了。
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那你可能会问了：“网络包也有大有小，这个包量指标说的是大包还是小包呢？”
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其实，一般的包量测试，不是随便什么大小的报文都可以测试，而是普遍使用64字节长度的IP报文。另外，我们也要认识到，包的大小对包量性能的影响也不是很大。这是因为，对于网络处理来说，主要的开销在包的头部的处理上，而载荷本身的处理是很快的。
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那么，对于客户遇到的这种包量达到上限的情况，我们可以选择的应对办法是这样的：
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* 选择更高网络性能的主机，比如硬件的RSS、软件的RPS等特性，都会大幅提升包量处理性能。
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* 对服务集群进行水平扩展，也就是在LB后面增加服务器，这样VIP作为一个整体提供的包，处理能力也就提升了。
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## 案例2：LoadRunner压测发现部分失败
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这是另外一个客户，他们没有用ab这样的简单工具，而是用了LoadRunner这样一个企业级的测试软件。LoadRunner的厉害之处在于，不仅可以发起巨大的请求量，而且可以模拟用户的复杂行为，比如登录、浏览、加入购物车等等。这一系列事务有前后状态关系，这就不是简单的ab可以做到的了。
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但是测试结果中的小几十个Failed和Error引起了客户的疑虑。他们怀疑：是不是我们公有云的机器或者网络质量不行，所以才导致了这些失败呢？
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我们就尝试复现这个压测场景，同时也对测试机上的TCP资源情况做检查，其中最主要的就是源端口了。
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为什么会想到这个呢？因为压测发起的请求，都是依托于TCP连接的。我们在[第1讲](https://time.geekbang.org/column/article/477510)里就提到过：**TCP连接是基于五元组的**。那么对于客户端来说，源IP、目的IP、目的端口、协议，这四个元素都不会变化，**唯一会变的就是自己的源端口**了。那么我们来看看，当时测试机的源端口情况。
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这是一台Window机器，跟Linux类似，我们执行这条命令：
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```bash
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netstat -ant
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```
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输出如下图：
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原来，确实有大量的TCP连接都在TIME\_WAIT状态，尤其是源端口已经用到了**65534**。所以可以肯定，这次压测中出现失败的原因，就在于源端口耗尽。
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那要如何处理呢？显然我们也变不出更多的端口来。这个时候，我们可以**调整压测软件的设置，比如从短连接改成长连接**。这样就可以避免源端口耗尽的情况，因为所有的请求是在长连接里完成的，只要连接池本身设置合理，源端口就不会被用完。
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## 案例3：压测报cannot assign requested address错误
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我们内部有一个团队在做业务压力测试，结果遇到了一个奇怪的报错：cannot assign requested address。这次的场景是这样的：这个团队从多台客户端机器向LB上的一个VIP，发送大量的请求，而LB的后面就是很多的服务器。
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但是，还没等到这些服务器的负载跑起来，客户端那边提前报错了。这是一个Go语言的程序，具体的报错信息如下：
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```plain
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https://test.vip/a": dial tcp 10.123.123.12:443: connect: cannot assign requested address
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http post Post \"https://test.vip/b": dial tcp 10.123.123.12:443: connect: cannot assign requested address retry 1 times
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```
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于是他们就怀疑：既然报错是连接出错，那是不是LB有什么问题呢？比如，是否LB本身处理能力不够，不能服务这么大量的连接请求？否则为什么客户端会报connect的错误呢？要知道，用来发起TCP连接的系统调用（syscall）就是connect。
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确实，这个报错信息“dial tcp 10.123.123.12:443: connect: cannot assign requested address”说得不太清楚。表面上看，就是客户端往10.123.123.12:443这个VIP发起连接请求（用connect）然后遇到了报错，也难怪测试团队会找到我们来查看LB的问题。
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我们检查了LB，发现一切正常。于是把排查方向换到客户端。在这次测试中，有一个参数是关于HTTP Keep-alive的。如果你对课程前面的内容还有印象的话，应该还记得我们在第7讲“[保活机制](https://time.geekbang.org/column/article/482610)”里，深入讨论过这个问题。
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简单来说，这次的测试配置里，HTTP Keep-alive没有打开，导致这些TCP连接被视作短连接来处理了，也就是一次HTTP请求和响应完成后，这条连接就关闭了。由于发起关闭的是客户端自己，于是这条连接也就进入了TIME\_WAIT状态。
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而要查看TIME\_WAIT状态的连接数量，我们可以用 **netstat命令**，配合管道和awk来完成统计。比如，这次我在一台客户端机器上执行了下面的命令：
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```bash
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$ netstat -ant |awk '{++a[$6]} END{for (i in a) print i, a[i]}'
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TIME_WAIT 28231
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```
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或者用下面的 **ss命令**会更快：
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```bash
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ss -ant | awk '{++s[$1]}END{for(k in s) print k,s[k]}'
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TIME-WAIT 28231
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```
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可见，处于TIME\_WAIT状态的连接数接近3万个，差不多就是Linux的本地动态端口的范围了。我们随后检查这台Linux机器的本地源端口范围，执行了下面的命令：
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```plain
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$ cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
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32768 60999
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```
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于是发现它的下限是32768，上限是60999，范围正好就是28231，跟TIME\_WAIT的数量一致，显然也是一次源端口耗尽导致的压测问题。
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当然，用sysctl也一样可以查看这个范围：
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```bash
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sysctl net.ipv4.ip_local_port_range
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```
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不过你可能会问：“难道压测中的网络排查，除了包量和源端口，就没有别的问题了吗？”
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我们来看一个不一样的案例。
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## 案例4：压测遇到connection reset by peer
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这次的场景是一个应用团队用netty http client去调用一个VIP做压测。具体来说是9台客户端机器，向同一个LB VIP发起大量的请求。
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结果遇到了connection reset by peer。蹊跷的是，这个报错是零零星星出现的。而像之前的例子，如果真的源端口用尽了，那么接下来一段时间内，这些请求都会因为本地没有源端口可用而宣告失败，也就是报错会是大面积出现，而不会零星出现。
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从图上看，报错数量不超过50个，主要集中在11点20分到11点35分这个时间段，这正是压测的时段。因为报错只有50来个，这相比于这次压测发起的成千上万的请求来说，是很小的比例了。
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> 补充：Y轴就是报错的个数，最高值是10，我们把几个柱体的高度加起来，就是报错的总数量了。
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我们了解到，压测期间每个客户端的请求频率是700TPS，所以9台客户端一共会发起6300TPS的请求量。这个问题诡异的地方就是，大部分的请求都能得到正确及时的回复，但是隔了两三分钟，就会出现几次这种connection reset by peer的问题。
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那我们需要理解一下，**为什么会reset**。
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我们在做网络排查的时候，如果在Wireshark里看到TCP RST，往往会觉得它不是一个好的征兆。确实，有时候是RST引起了故障，有时候又是网络故障迫使TCP用RST来结束连接。无论RST是因还是果，它总是跟问题本身逃不脱关系。
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那干脆在TCP里取消RST，是不是很多问题就会被解决呢？当然不是，RST在TCP里面是一个非常必要的组成部分。没有RST，其实就没有“坏”的结束，也就没有“好”的开始。
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大体上，TCP RST的原因可以分为这么几个大类：
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* 找不到相关连接，那么接收端可以放心地直接发送RST。
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* 找到了相关连接，但收到的报文不符合TCP规范，那么接收端也可以发送RST。
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* 找到了相关连接，但传输状况恶劣，内核选择及时“止损”，发送RST。
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而这次案例里面的情况，就符合第一种。这是因为：
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* 我们的LB上的VIP有一个idle timeout的设置，如果客户端在一定时限内不发任何报文，那么这条连接将被回收。这个时限是180秒，而且回收时不向客户端发送FIN或者RST报文。
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* 这次的压测客户端框架里，有一个设置值也是关于idle timeout的。不过这个值设置的是360秒。
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你有没有发现问题？这两个idle timeout值一边大一边小，配合不当，就会出现下面这样的问题：
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某条TCP连接中完成一次HTTP请求和响应之后，连接没有被关闭。过了180秒，LB这一侧的连接被回收了，但客户端那边还没到360秒，所以还认为这条连接是活着的，于是在180秒之后发起了一次请求。报文到达LB，后者在连接表里没有查到这条连接，于是回复了RST。
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根因清楚了，解决起来异常简单：把客户端的Idle timeout参数，从原先的360秒，改成比LB的180秒更低的值就好了。这次改到了120秒，RST就完全消失了。
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你看，虽然在案例2里，我们知道了压测最好使用长连接，这样可以避免源端口耗尽的问题。但是不等于你设置了长连接就一劳永逸了，还需要考虑idle timeout的问题。这次压测的关键在于：要确保长连接本身是真正有效的，你需要**确保客户端的idle timeout小于服务端的idle timeout，这样才能避免连接失效导致的RST**。
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> 补充：这个库是Ractor-Netty，idle timeout对应的是[evictInBackground](https://projectreactor.io/docs/netty/release/api/reactor/netty/resources/ConnectionProvider.ConnectionPoolSpec.html#evictInBackground-java.time.Duration-) + [maxLifeTime](https://projectreactor.io/docs/netty/release/api/reactor/netty/resources/ConnectionProvider.ConnectionPoolSpec.html#maxLifeTime-java.time.Duration-)。
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## 实验
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回顾完这些压测案例，你可能会发现其实难度并不太大，是不是也跃跃欲试了呢？接下来，我们就用ab来做个小实验，这次还捎带一个小任务：**控制TIME\_WAIT状态的连接的数量**。
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在案例2和3里面，源端口耗尽的问题，本质是TIME\_WAIT需要停留2MSL的时长。要解决TIME\_WAIT连接过多的问题，方法有很多。这次我们只实验其中的一种方法，就是修改 `net.ipv4.tcp_max_tw_buckets` 这个内核参数。
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它的默认值为16384，改为更小的值后，超过这个数值的TIME\_WAIT连接会被清除，这样，TIME\_WAIT连接数就被控制住了。
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这个实验在本地就可以完成，比如在你的笔记本上安装VirtualBox，然后在这个虚拟机里面完成实验。
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步骤一：安装Nginx和Apache ab。
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```bash
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apt install nginx
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apt install apache2-utils
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```
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步骤二：启动ab测试，执行下面的命令。
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```bash
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ab -c 500 -n 10000 http://localhost/
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```
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步骤三：观察TCP连接的各种状态的统计数。
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```bash
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ss -ant | awk '{++s[$1]}END{for(k in s) print k,s[k]}'
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```
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此时你应该会看到1万多个TIME\_WAIT的连接，然后等待2分钟后继续步骤四。
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步骤四：修改内核参数 `tcp_max_tw_buckets` 为100。
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```bash
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sysctl net.ipv4.tcp_max_tw_buckets=100
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||
```
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步骤五：再次ab测试。
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||
```bash
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||
ab -c 500 -n 10000 http://localhost/
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```
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||
步骤六：再次观察TCP连接的各种状态的统计数。
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```bash
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ss -ant | awk '{++s[$1]}END{for(k in s) print k,s[k]}'
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```
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此时TIME\_WAIT应该只有100了。
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当然，TIME\_WAIT本身被设计出来是有原因的，建议你在改动它之前，把自己的场景想清楚，然后再改不迟。
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## 小结
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这节课，我们回顾了几个典型的压力测试场景中的网络问题，你需要重点掌握以下这些知识点。
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**关于压测指标和工具。**轻量级的工具是ab，它十分方便，而且也可以发起大量的请求，在简单的压测场景下很有用。比如下面的命令：
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```bash
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ab -k -c 100 -n 10000 目标URL
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```
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重量级工具是LoadRunner和JMeter，它们可以实现复杂的交互行为，也提供更加详细的报告。
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在网络性能领域，**包量是对PPS的简称，一般用来衡量一台主机的网络处理能力。**而评估包量的工具是sar，我们可以运行下面的命令获取到实时的包量值：
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```bash
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sar -n DEV 1 10
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```
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**关于TCP的知识。**这节课里我们也再次温习了TCP相关的知识，包括：
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* 判断一个报文是否是之前报文的重传，可以根据两个关键信息：**序列号、载荷长度**。这两个值分别相同的多个报文，互相就是重传关系了。
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* 压测数据起不来的一个常见原因是**源端口耗尽**，要验证这一点，可以执行以下命令，来查看TIME\_WAIT或者ESTABLISHED状态的连接数是否到达了上限：
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```bash
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ss -ant | awk '{++s[$1]}END{for(k in s) print k,s[k]}'
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```
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或者：
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```bash
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netstat -ant |awk '{++a[$6]} END{for (i in a) print i, a[i]}'
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```
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* 而连接数到达上限值的问题，往往跟可用的**本地源端口范围**有关。要查看端口范围，我们可以执行这条命令：
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```bash
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sysctl net.ipv4.ip_local_port_range
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```
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* 压测中遇到RST的原因，可能跟两端的idle timeout不合理有关，建议把客户端的idle timeout设置为比服务端idle timeout更低的值。
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## 思考题
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最后还是再给你留两道思考题：
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* 测试HTTP性能经常用ab，那测试带宽本身，一般用什么工具呢？
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* 要把TIME\_WAIT停留的时间2MSL改小，你知道用什么方法吗？
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欢迎在留言区分享你的答案，也欢迎你把今天的内容分享给更多的朋友。
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## 附录
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抓包示例文件：[https://gitee.com/steelvictor/network-analysis/tree/master/22](https://gitee.com/steelvictor/network-analysis/tree/master/22)
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