linux-4.4.6内核，接收UDP大包，导致网络阻塞、卡死
目录
简介
记录分片包占用内存大小的变量——struct percpu_counter;
简介
对struct percpu_counter进行 加 / 减 和 读 的接口函数
网络协议栈操作struct percpu_counter的函数 和 阈值
查看当前系统下分片包占用内存的数量
命令
/proc/net/sockstat相关代码
出问题时的现象：查看分片包占用内存的数量是0
网络协议栈接收分片包的大致流程
数理分析
解决方法
简介
linux内核网络协议栈在发送大于MTU的UDP数据包时，会将大包拆成小包发出去，对应的，在接收端，网络协议栈会将小包组合、还原成原来的大包。
本文将“分段后的 IP 封包“称为分片包。
在接收端，收到分片包后，会先分配内存空间用于存放收到的分片包。等到一个大包的所有分片包都接收完整后，执行组包操作，将其组合、还原成原来的大包，并将分片包占用的内存释放。
需要注意的是，内核协议栈会限制接收到的分片包占用内存的数量。限制的条件如下：
ipfrag_high_thresh - INTEGERMaximum memory used to reassemble IP fragments. When ipfrag_high_thresh bytes of memory is allocated for this purpose,the fragment handler will toss packets until ipfrag_low_threshis reached. This also serves as a maximum limit to namespacesdifferent from the initial one.ipfrag_low_thresh - INTEGERMaximum memory used to reassemble IP fragments before the kernelbegins to remove incomplete fragment queues to free up resources.The kernel still accepts new fragments for defragmentation.在kernel-4.4.6下，内核协议栈使用了struct percpu_counter结构体来记录分片包占用内存的数量。网络阻塞、卡死问题就出在对struct percpu_counter的使用上。本文将分析具体机理。
请注意：新版内核已经用原子变量 替换 struct percpu_counter来记录分片包占用内存的数量。
记录分片包占用内存大小的变量——struct percpu_counter;
简介
struct netns_frags {/* The percpu_counter "mem" need to be cacheline aligned.* mem.count must not share cacheline with other writers*/struct percpu_counter mem ____cacheline_aligned_in_smp; //记录分片包占用内存大小的变量/* sysctls */int timeout;int high_thresh;int low_thresh;
};struct percpu_counter的定义如下：
struct percpu_counter {raw_spinlock_t lock;s64 count;
#ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPUstruct list_head list; /* All percpu_counters are on a list */
#endifs32 __percpu *counters;
};每处理器计数器 (struct percpu_counter) 的设计思想是：计数器有一个总的计数值 count ，每个处理器有一个临时计数值 counters ，每个处理器先把计数累加到自己的临时计数值，当临时计数值达到或超过阈值 ( 当前是 130000) 的时候，把临时计数值累加到总的计数值。
成员 count 是总的计数值，成员 lock 用来保护总的计数值，成员 counters 指向每处理器变量，每个处理器对应一个临时计数值。
《Linux 内核深度解析》P486
对struct percpu_counter进行 加 / 减 和 读 的接口函数
void __percpu_counter_add(struct percpu_counter *fbc, s64 amount, s32 batch) //加 和 减 使用同一个函数
{s64 count;preempt_disable();count = __this_cpu_read(*fbc->counters) + amount;if (count >= batch || count <= -batch) {unsigned long flags;raw_spin_lock_irqsave(&fbc->lock, flags);fbc->count += count;__this_cpu_sub(*fbc->counters, count - amount);raw_spin_unlock_irqrestore(&fbc->lock, flags);} else {this_cpu_add(*fbc->counters, amount);} preempt_enable();
}
EXPORT_SYMBOL(__percpu_counter_add);static inline s64 percpu_counter_read(struct percpu_counter *fbc)
{return fbc->count;
}网络协议栈操作struct percpu_counter的函数 和 阈值
/* Memory Tracking Functions. *//* The default percpu_counter batch size is not big enough to scale to* fragmentation mem acct sizes.* The mem size of a 64K fragment is approx:* (44 fragments * 2944 truesize) + frag_queue struct(200) = 129736 bytes*/
static unsigned int frag_percpu_counter_batch = 130000;static inline int frag_mem_limit(struct netns_frags *nf)
{return percpu_counter_read(&nf->mem);
}static inline void sub_frag_mem_limit(struct netns_frags *nf, int i)
{__percpu_counter_add(&nf->mem, -i, frag_percpu_counter_batch);
}static inline void add_frag_mem_limit(struct netns_frags *nf, int i)
{__percpu_counter_add(&nf->mem, i, frag_percpu_counter_batch);
}查看当前系统下分片包占用内存的数量
命令
# cat /proc/net/sockstat
sockets: used 1093
TCP: inuse 11 orphan 0 tw 0 alloc 15 mem 2
UDP: inuse 12 mem 3
UDPLITE: inuse 0
RAW: inuse 0
FRAG: inuse 0 memory 0 //分片包占用内存的数量/proc/net/sockstat相关代码
/** Report socket allocation statistics [mea@utu.fi]*/
static int sockstat_seq_show(struct seq_file *seq, void *v)
{struct net *net = seq->private;unsigned int frag_mem;int orphans, sockets;local_bh_disable();orphans = percpu_counter_sum_positive(&tcp_orphan_count);sockets = proto_sockets_allocated_sum_positive(&tcp_prot);local_bh_enable();socket_seq_show(seq);seq_printf(seq, "TCP: inuse %d orphan %d tw %d alloc %d mem %ld\n",sock_prot_inuse_get(net, &tcp_prot), orphans,atomic_read(&tcp_death_row.tw_count), sockets,proto_memory_allocated(&tcp_prot));seq_printf(seq, "UDP: inuse %d mem %ld\n",sock_prot_inuse_get(net, &udp_prot),proto_memory_allocated(&udp_prot));seq_printf(seq, "UDPLITE: inuse %d\n",sock_prot_inuse_get(net, &udplite_prot));seq_printf(seq, "RAW: inuse %d\n",sock_prot_inuse_get(net, &raw_prot));frag_mem = ip_frag_mem(net); // *******************获取分片包占用的内存数量seq_printf(seq, "FRAG: inuse %u memory %u\n", !!frag_mem, frag_mem);return 0;
}ip_frag_mem()函数相关代码如下：
//net/ipv4/ip_fragment.c
int ip_frag_mem(struct net *net)
{return sum_frag_mem_limit(&net->ipv4.frags);
}//include/net/inet_frag.h
static inline unsigned int sum_frag_mem_limit(struct netns_frags *nf)
{unsigned int res;local_bh_disable();res = percpu_counter_sum_positive(&nf->mem);local_bh_enable();return res;
}出问题时的现象：查看分片包占用内存的数量是0
在接收UDP大包导致阻塞、卡死时，通过/proc/net/sockstat文件看到分片包占用的内存数量是0。
网络协议栈接收分片包的大致流程
数理分析
由于struct percpu_counter的特性，网络协议栈在接收大、小包混合的UDP数据时，会偶发阻塞、卡死。举例如下：
假设high_thresh 的值是 40960，并且当前没有接收到任何分片包数据(struct percpu_counter的count=0, counters=0)。
马上，0号核收到了 105000 字节大小的一批分片包，1号核收到了总长 100000 字节的一批分片包，即:
count= 0
counters(0号核)= 105000
counters(1号核)= 100000
紧接着，0号核接收到的 30000 字节的一批分片包，30000 + 105000 = 135000，135000大于阈值 130000，所以要把0号核的counters的值累加到 count，并且0号核的conters清零，即:
count= 135000 (count > high_thresh，停止接收新的封包的分片包)
counters(0号核)= 0
counters(1号核)= 100000
而在0号核刚刚接收到的30000字节的分片包 与 之前接收到的分片包正好可以组成一个完整的封包，组成一个完整封包的分片包大小是120000字节，在组完包后，0号核的counters变成-120000，即：
count= 135000 (count > high_thresh，停止接收新的封包的分片包)
counters(0号核)= -120000
counters(1号核)= 100000
然后，1号核接收到2000字节的一批分片包，即：
count= 135000 (count > high_thresh，停止接收新的封包的分片包)
counters(0号核)= -120000
counters(1号核)= 102000
而在1号核刚刚接收到的2000字节的分片包中，正好可以和之前的已经接收到的，剩下的所有分片包组成一个封包。现存的所有分片包大小是117000字节，在组完包后，1号核的counters要减去117000，即：
count= 135000 (count > high_thresh，停止接收新的封包的分片包)
counters(0号核)= -120000
counters(1号核)= 102000 - 117000 = -15000
此时，count已经大与high_thresh，导致停止接收新的封包的分片包，进而导致counters的值不会增加。另外，因为所有分片包都已经组包完成，已经没有分片包，也就是不会再组包，进而导致counters的值不会降低。
counters的值不会变化，进一步导致count的值也不变，最终导致UDP大包接收完全阻塞、卡死。
此时，count= 135000，counters(0号核)= -120000，counters(1号核)=-15000 ，135000 -120000 -15000 = 0，所以执行命令：cat /proc/net/sockstat | grep FRAG，看到分片包占用内存的数量也是0。
解决方法
增大高水线，修改文件/proc/sys/net/ipv4/ipfrag_high_thresh
echo 高水线的数值 > /proc/sys/net/ipv4/ipfrag_high_thresh
高水线的数值为：struct percpu_counter的阈值(当前是130000) x CPU核的数量。
请注意：
此问题只影响UDP大包接收，并且再新版本的内核中，已经修复了此问题。
参考：
《深入理解 LINUX 网络技术内幕》P424
《Linux 内核深度解析》P486
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