FreeBSD : FreeBSD для обслуживания 100-200 тысяч соединений

FreeBSD хранит сетевые данные в mbuf clusters, размер каждого 2Кб, но из
них используется только около 1500 байт (по размеру Ethernet пакета).

mbufs

Для каждого mbuf кластера нужен "mbuf", который имеет размер 256 байт и
нужен для организации связи цепочек из mbuf кластеров. В mbuf можно поместить
полезную информацию в районе 100 байт, но это не всегда используется.

Если в машине 1Гб и больше памяти, то по умолчанию будет создано 25 тыс. mbuf кластеров,
что не всегда достаточно.

При ситуации исчерпания числа свободных mbuf кластеров FreeBSD попадает в
состояние zonelimit и перестает отвечать на запросы по сети,
в top это выглядит как "zoneli". Единственная возможность как-то повлиять на
ситуацию - это зайти с локальной консоли и перезагрузить систему, уничтожить
процесс находящийся в состоянии "zoneli" невозможно. Для Linux 2.6.x данная проблема
тоже характерна, причем работать переставала даже консоль.


Для выхода из этой ситуации существует патч возвращающий приложению ошибку ENOBUFS,
сигнализирующий о попадании в состояние "zoneli", после чего программа может
закрыть лишние соединения. К сожалению патч пока не принят в состав FreeBSD.


Состояние задействованных mbuf кластеров можно посмотреть командой:

>netstat -m  4/1421/1425 mbufs in use (current/cache/total)  0/614/614/25600 mbuf clusters in use (current/cache/total/max)

Увеличение числа mbuf кластеров во FreeBSD 6.2 можно произвести в любой момент
через параметр kern.ipc.nmbclusters:

sysctl kern.ipc.nmbclusters=65536

Для более ранних версий FreeBSD число mbuf кластеров можно было установить только
на этапе загрузки:

/boot/loader.conf:  kern.ipc.nmbclusters=65536          25000 mbuf clusters = 55M  32768 mbuf clusters = 74M  65536 mbuf clusters = 144M

25000 mbuf кластеров занимают примерно 50Мб памяти, 32000 - 74 Мб, 65000 -
144Мб (рост по степени 2). 65000 - пограничное значение, превышать которое не
рекомендуется, без предварительного расширения адресного пространства
доступного ядру.

Увеличение памяти, доступной ядру

Увеличение адресного пространства ядра, которое на i386 платформе - 1Гб.
Для увеличения до 2Гб, в файле конфигурации ядра необходимо указать:

options KVA_PAGES=512

На платформе amd64 KVA всегда 2G, увеличить к сожалению в настоящее время нельзя.

Кроме увеличения виртуального адресного пространства можно увеличить лимит
физической памяти, которую может использовать ядро (по умолчанию 320Мб). Увеличим
до 1Гб:

/boot/loader.conf:  vm.kmem_size=1G

Затем выделим из него 575Мб под mbuf кластера:

sysctl -w kern.ipc.nmbclusters=262144

Установление соединения. syncache и syncookies

Примерно 1000 байт расходуется на одно соединение.
Примерно 100 байт для одной записи на незаконченное соединение в syncache.
Всего можно держать в памяти информацию об около 15000 соединениях.

Параметры syncache можно посмотреть через "sysctl net.inet.tcp.syncache" (доступен
в режиме только для чтения):

# sysctl net.inet.tcp.syncache        net.inet.tcp.syncache.bucketlimit: 30        net.inet.tcp.syncache.cachelimit: 15359        net.inet.tcp.syncache.count: 29        net.inet.tcp.syncache.hashsize: 512        net.inet.tcp.syncache.rexmtlimit: 3

Изменить параметры syncache можно только на этапе загрузки ядра:

/boot/loader.conf:        net.inet.tcp.syncache.hashsize=1024        net.inet.tcp.syncache.bucketlimit=100

Когда новое соединение не помещается в переполненный syncache, FreeBSD переходит в  
режим "syncookies" (TCP SYN cookies). Включается возможность такого перехода через:

sysctl net.inet.tcp.syncookies=1

Заполненность syncache и статистику по syncookies можно посмотреть через команду:

netstat -s -p tcp            ...            2079088720 syncache entries added            ...            > 0 dropped            2058506523 completed            > 0 bucket overflow            > 0 cache overflow            ...            0 cookies sent            0 cookies received

После того как соединение принято оно попадает в "listen socket queue".
Статистику можно посмотреть командой

netstat -Lan            Current listen queue sizes (qlen/incqlen/maxqlen)            Proto Listen         Local Address                    tcp4  43/0/4096      *.80                              tcp4  0/0/128        *.22

4096 - размер очереди (максимум 65тыс.)
43 - заполненность очереди в данный момент (приложение не вытащило из очереди).

Увеличение размера очереди производится через:

sysctl kern.ipc.somaxconn=4096

После того как соединение принято для него FreeBSD создает структуры связанные
с сокетами (sockets).

Увеличить максимальное число открытых сокетов во FreeBSD 6.2, во время работы,
можно через:

sysctl kern.ipc.maxsockets=204800

В более ранних версиях:

/boot/loader.conf:            kern.ipc.maxsockets=204800

Посмотреть состояние можно командой:

vmstat -z        ITEM      SIZE     LIMIT      USED      FREE    REQUESTS  FAILURES        ...        socket:    356,   204809,    48041,   114869, 4292783585,        0        ...        inpcb:     180,   204820,    63956,   121460, 4283258030,        0        tcpcb:     464,   204800,    48015,   114897, 4283258030,        0

tcb hash

Если машина обрабатывает несколько десятков тысяч соединений то tcb hash позволяет быстро
определять принадлежность пришедшего пакета к определенному соединению.

По умолчанию размер tcb hash - 512 элементов.
Текущий размер можно посмотреть через sysctl (только для чтения):

sysctl net.inet.tcp.tcbhashsize

Изменить можно на этапе загрузки:

/boot/loader.conf:            net.inet.tcp.tcbhashsize=4096

Файлы

Приложения работают не с сокетами, а с файлами. По этому для каждого
сокета нужна структура, которая описывает файл. Увеличить можно через:

sysctl kern.maxfiles=204800 sysctl kern.maxfilesperproc=200000

kern.maxfiles - всего файлов в системе
kern.maxfilesperproc - максимальное число файлов на один процесс.

Параметры можно менять на работающей системе, но они не отразятся на уже запущенных
процессах. Поэтому в nginx были добавлены директивы позволяющие менять число
открытых файлов для уже запущенных процессов (после инициирования операции переконфигурации)

nginx.conf:            worker_rlimit_nofile  200000;            events {              worker_connections  200000;            }

receive buffers
Буферы для приема данных. По умолчанию 64Kб, если нет загрузки больших объемов данных,
то можно уменьшить до 8Кб (меньше вероятность переполнения при DoS атаке).

sysctl net.inet.tcp.recvspace=8192

Для nginx:

nginx.conf:            listen 80 default rcvbuf=8k;

send buffers

Буферы для отправки данных. По умолчанию 32K. Если скачиваются данные небольшого объема
или недостаток mbuf кластеров, можно уменьшить:

sysctl net.inet.tcp.sendspace=16384

Для nginx:

nginx.conf:            listen 80 default sndbuf=16k;

В ситуации когда сервер записал в сокет данные, но клиент не хочет их забирать,
после таймаута по закрытию соединения в ядре данные будут держаться еще
несколько минут. В nginx если директива для принудительного сброса всех данных
после закрытия по таймауту.

nginx.conf:                reset_timedout_connections  on;

sendfile

Еще один механизм для экономии mbuf кластеров - это sendfile, он использует
память буферов ядра с данными файлов одновременно для передачи этих данных в
сетевую карту, без промежуточного заполнения лишних буферов.

В nginx включается:

nginx.conf:            sendfile on;

На i386 по умолчанию для систем с 1 или более Гб памяти будет выделено 6656
sendfile буферов. Этого вполне достаточно. На платформе amd64 более оптимальный
вариант реализации и sfbufs буферы не нужны.

Статистика:

i386>netstat -m        ...        190/510/6656 sfbufs in use (current/peak/max)                amd64>netstat -m        ...        0/0/0 sfbufs in use (current/peak/max)

При переполнении sendfile буфера процесс замирает в состоянии "sfbufa", но
ситуация достаточно быстро приходит в норму после увеличения размера буфера.

PID USERNAME  THR PRI NICE   SIZE    RES STATE    TIME   WCPU COMMAND 13654 nobody      1   4    0 59912K 59484K sfbufa 209:26  5.00% nginx

Увеличение размера через:

/boot/loader.conf:            kern.ipc.nsfbufs=10240

TIME_WAIT

После того как соединение закрывается сокет переходит в состояние TIME_WAIT
В этом состоянии он может находится по умолчанию в течение 60 секунд.
Время можно изменить через sysctl (в миллисекундах деленных на 2, 2 x 30000 MSL = 60 секунд):

sysctl net.inet.tcp.msl=30000

Во FreeBSD 6.2 TIME_WAIT сокеты обрабатываются отдельно (нужна лишь
часть информации 48 байт из 1 Кб. Ограничение вне лимита
kern.ipc.maxsockets), число их регулируется параметром:

sysctl net.inet.tcp.maxtcptw=40960

Статистика:

>vmstat -z        ITEM      SIZE     LIMIT      USED      FREE    REQUESTS  FAILURES        ...        tcptw:      48,    41028,    15941,    25087, 1045159949,   438573

TCP/IP ports

По умолчанию исходящие соединения инициируются с диапазона портов 49152-65535 (16 тыс.).
Их неплохо увеличить (1024-65535):

sysctl net.inet.ip.portrange.first=1024 sysctl net.inet.ip.portrange.last=65535

Для использования портов по порядку, вместо случайной выборки (для
исключения ошибки повторного коннекта с одного порта до отработки
TIME_WAIT):

sysctl net.inet.ip.portrange.randomized=0

Во FreeBSD 6.2 появилась возможность не создания состояния TIME_WAIT для
соединений в рамках localhost:

sysctl net.inet.tcp.nolocaltimewait=1