如何使用 Wireshark 分析 TCP 吞吐瓶頸

作者：laixintao

_出處：_https://www.kawabangga.com/posts/4794

Debug 網絡質量的時候，我們一般會關注兩個因素：延遲和吞吐量（帶寬）。延遲比較好驗證，Ping 一下或者 mtr[1] 一下就能看出來。這篇文章分享一個 debug 吞吐量的辦法。

看重吞吐量的場景一般是所謂的長肥管道 (Long Fat Networks, LFN, rfc7323[2]). 比如下載大文件。吞吐量沒有達到網絡的上限，主要可能受 3 個方面的影響：

  1. 發送端出現了瓶頸

  2. 接收端出現了瓶頸

  3. 中間的網絡層出現了瓶頸

發送端出現瓶頸一般的情況是 buffer 不夠大，因爲發送的過程是，應用調用 syscall，將要發送的數據放到 buffer 裏面，然後由系統負責發送出去。如果 buffer 滿了，那麼應用會阻塞住（如果使用 block 的 API 的話），直到 buffer 可用了再繼續 write，生產者和消費者模式。

發送端出現瓶頸一般都比較好排查，甚至通過應用的日誌看何時阻塞住了即可。大部分情況都是第 2，3 種情況，比較難以排查。這種情況發生在，發送端的應用已經將內容寫入到了系統的 buffer 中，但是系統並沒有很快的發送出去。

TCP 爲了優化傳輸效率（注意這裏的傳輸效率，並不是單純某一個 TCP 連接的傳輸效率，而是整體網絡的效率），會:

  1. 保護接收端，發送的數據不會超過接收端的 buffer 大小 (Flow control)。數據發送到接受端，也是和上面介紹的過程類似，kernel 先負責收好包放到 buffer 中，然後上層應用程序處理這個 buffer 中的內容，如果接收端的 buffer 過小，那麼很容易出現瓶頸，即應用程序還沒來得及處理就被填滿了。那麼如果數據繼續發過來，buffer 存不下，接收端只能丟棄。

  2. 保護網絡，發送的數據不會 overwhelming 網絡 (Congestion Control, 擁塞控制), 如果中間的網絡出現瓶頸，會導致長肥管道的吞吐不理想；

對於接收端的保護，在兩邊連接建立的時候，會協商好接收端的 buffer 大小 (receiver window size, rwnd), 並且在後續的發送中，接收端也會在每一個 ack 回包中報告自己剩餘和接受的 window 大小。這樣，發送端在發送的時候會保證不會發送超過接收端 buffer 大小的數據。（意思是，發送端需要負責，receiver 沒有 ack 的總數，不會超過 receiver 的 buffer.）

對於網絡的保護，原理也是維護一個 Window，叫做 Congestion window，擁塞窗口，cwnd, 這個窗口就是當前網絡的限制，發送端不會發送超過這個窗口的容量（沒有 ack 的總數不會超過 cwnd）。

怎麼找到這個 cwnd 的值呢？

這個就是關鍵了，默認的算法是 cubic, 也有其他算法可以使用，比如 Google 的 BBR[3].

主要的邏輯是，慢啓動 (Slow start), 發送數據來測試，如果能正確收到 receiver 那邊的 ack，說明當前網絡能容納這個吞吐，將 cwnd x 2，然後繼續測試。直到下面一種情況發生：

  1. 發送的包沒有收到 ACK

  2. cwnd 已經等於 rwnd 了

第 2 點很好理解，說明網絡吞吐並不是一個瓶頸，瓶頸是在接收端的 buffer 不夠大。cwnd 不能超過 rwnd，不然會 overload 接收端。

對於第 1 點，本質上，發送端是用丟包來檢測網絡狀況的，如果沒有發生丟包，表示一切正常，如果發生丟包，說明網絡處理不了這個發送速度，這時候發送端會直接將 cwnd 減半。

但實際造成第 1 點的情況並不一定是網絡吞吐瓶頸，而可能是以下幾種情況：

  1. 網絡達到了瓶頸

  2. 網絡質量問題丟包

  3. 中間網絡設備延遲了包的送達，導致發送端沒有在預期時間內收到 ACK

2 和 3 原因都會造成 cwnd 下降，無法充分利用網絡吞吐。

以上就是基本的原理，下面介紹如何定位這種問題。

rwnd 查看方式

這個 window size 直接就在 TCP header 裏面，抓下來就能看這個字段。

但是真正的 window size 需要乘以 factor, factor 是在 TCP 握手節點通過 TCP Options 協商的 [4]。所以如果分析一條 TCP 連接的 window size，必須抓到握手階段的包，不然就不可以知道協商的 factor 是多少。

cwnd 查看方式

Congestion control 是發送端通過算法得到的一個動態變量，會試試調整，並不會體現在協議的傳輸數據中。所以要看這個，必須在發送端的機器上看。

在 Linux 中可以使用 ss -i 選項將 TCP 連接的參數都打印出來。

這裏展示的單位是 TCP MSS.[5] 即實際大小是 1460bytes * 10.

Wireshark 分析

Wireshark 提供了非常使用的統計功能，可以讓你一眼就能看出當前的瓶頸是發生在了哪裏。但是第一次打開這個圖我不會看，一臉懵逼，也沒查到資料要怎麼看。好在我同事 [6] 會，他把我教會了，我在這裏記錄一下，把你也教會。

首先，打開的方式如下：

然後你會看到如下的圖。

首先需要明確，tcptrace 的圖表示的是單方向的數據發送，因爲 tcp 是雙工協議，兩邊都能發送數據。其中最上面寫了你當前在看的圖數據是從 10.0.0.1 發送到 192.168.0.1 的，然後按右下角的按鈕可以切換看的方向。

X 軸表示的是時間，很好理解。

然後理解一下 Y 軸表示的 Sequence Number, 就是 TCP 包中的 Sequence Number，這個很關鍵。圖中所有的數據，都是以 Sequence Number 爲準的。

所以，你如果看到如上圖所示，那麼說明你看反了，因爲數據的 Sequence Number 並沒有增加過，說明幾乎沒有發送過數據，需要點擊 Switch Direction。

這就對了，可以看到我們傳輸的 Sequence Number 在隨着時間增加而增加。

這裏面有 3 條線，含義如下：

除此之外，另外還有兩種線：

需要始終記住的是 Y 軸是 Sequence Number，紅色的線表示 SACK 的線表示這一段 Sequence Number 我已經收到了，然後配合黃色線表示 ACK 過的 Sequence Number，那麼發送端就會知道，在中間這段空擋，包丟了，紅色線和黃色線縱向的空白，是沒有被 ACK 的包。所以，需要重新傳輸。而藍色的線就是表示又重新傳輸了一遍。

學會了看這些圖，我們可以認識幾種常見的 pattern：

丟包

很多紅色 SACK，說明接收端那邊重複在說：中間有一個包我沒有收到，中間有一個包我沒有收到。

吞吐受到接收 window size 限制

從這個圖可以看出，黃色的線（接收端一 ACK）一上升，藍色就跟着上升（發送端就開始發），直到填滿綠色的線（window size）。說明網絡並不是瓶頸，可以調大接收端的 buffer size.

吞吐受到網絡質量限制

從這張圖中可以看出，接收端的 window size 遠遠不是瓶頸，還有很多空閒。

放大可以看出，中間有很多丟包和重傳，並且每次只發送一點點數據，這說明很有可能是 cwnd 太小了，受到了擁塞控制算法的限制。

參考資料

[1]

mtr: https://www.kawabangga.com/posts/4275

[2]

rfc7323: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7323

[3]

BBR: https://www.kawabangga.com/posts/4086

[4]

TCP 握手節點通過 TCP Options 協商的: https://en.wikipedia.org/wiki/TCP_window_scale_option

[5]

TCP MSS.: https://www.cloudflare.com/learning/network-layer/what-is-mss/

[6]

spate: https://github.com/royzhr/spate

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/lSDzpyAk6EPAvA2l6P-Axw

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