nf_conntrack 的数据结构和相关参数调优

在内核中,连接跟踪表是一个二维数组结构的哈希表(hash table),哈希表的大小记作HASHSIZE,哈希表的每一项(hash table entry)称作bucket,因此哈希表中有HASHSIZE个bucket存在,每个bucket包含一个链表(linked list),每个链表能够存放若干个conntrack条目(bucket size)。需要明确的是,nf_conntrack 模块并不是所有 Linux 内核都会加载,最常见的导致加载该模块的原因是使用了 iptables、lvs 等内核态 NAT/防火墙导致内核需要对连接表进行追踪,iptable_nat、ip_vs 等多个内核模块都依赖 nf_conntrack, 但是 nf_conntrack 的存在会影响高并发下的内核收包性能。

 

对于一个新收到的数据包,内核使用如下步骤判断其是否属于一个已有连接:

  • 内核提取此数据包信息(源目IP,port,协议号)进行hash计算得到一个hash值,在哈希表中以此hash值做索引,索引结果为数据包所属的bucket(链表)。这一步hash计算时间固定并且很短
  • 遍历hash得到的bucket,查找是否有匹配的conntrack条目。这一步是比较耗时的操作,bucket size越大,遍历时间越长

bucket_size 和 hashsize 的关系

根据上面对哈希表的解释,系统最大允许连接跟踪数CONNTRACK_MAX = 连接跟踪表大小(HASHSIZE) * Bucket大小(bucket size)。从连接跟踪表获取bucket是hash操作时间很短,而遍历bucket相对费时,因此为了conntrack性能考虑,bucket size越小越好,默认为8或者4

nf_conntrack_max – INTEGER Size of connection tracking table. Default value is nf_conntrack_buckets value * 4.

net.netfilter.nf_conntrack_buckets 即是 /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize
同时设定了 conntrack_maxhashsize 时,bucket_size会调整为其比值:

# sysctl net.netfilter.nf_conntrack_buckets
net.netfilter.nf_conntrack_buckets = 65536
# sysctl net.netfilter.nf_conntrack_max
net.netfilter.nf_conntrack_max = 100000000
# echo "100000000 65536"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
1525.88

计算 conntrack 消耗的内存

计算方法:

total_mem_used(bytes) = CONNTRACK_MAX * sizeof(struct ip_conntrack) + HASHSIZE * sizeof(struct list_head) 

样例代码:

import ctypes

#不同系统可能不一样,ldconfig -v | grep conntrack 获取对应版本
LIBNETFILTER_CONNTRACK = 'libnetfilter_conntrack.so.3.5.0'

nfct = ctypes.CDLL(LIBNETFILTER_CONNTRACK)
print 'sizeof(struct nf_conntrack):', nfct.nfct_maxsize()
print 'sizeof(struct list_head):', ctypes.sizeof(ctypes.c_void_p) * 2

在上述机器(hashsize=65536, conntrack_max=100000000)上运行结果:

根据上述算式得出线上配置内存的理论消耗:100000000 * 328 +65536 * 16 bytes,主要由第一项组成

相关问题和处理

最近遇到了一个 nf_conntrack 相关的问题,背景是:近期贵组 LB 上线了一个新的集群,在只有接入项目较少的情况下,出现了 CPU 异常压力过大的问题,perf 发现大量 CPU 消耗在 nf_conntrack_find_get 上:

经查,nf_conntrack bucket hashsize 过小,导致 bucket size 大,查表效率差,调整前 /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize 为16384,经上述算法计算 bucket size 高达6000+,将 hashsize 调整为524288后比值为100量级。

echo "`sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_max` 16384"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
6103.52
echo "`sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_max` `sysctl -n net.netfilter.nf_conntrack_buckets`"| awk '{printf "%.2f\n",$1/$2}'
190.73

出现这么低级的配置问题,贵司环境初始化确实还是挺一把梭的···


本文链接: https://www.starduster.me/2019/07/05/nf-conntrack-tuning/
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