什么是linux内核

Linux 内核设计的理念主要有这几个点：

MutiTask，多任务

SMP，对称多处理

ELF，可执行文件链接格式

Monolithic Kernel，宏内核

MutiTask

MutiTask 的意思是多任务，代表着 Linux 是一个多任务的操作系统。多任务意味着可以有多个任务同时执行，这里的「同时」可以是并发或并行：

对于单核 CPU 时，可以让每个任务执行一小段时间，时间到就切换另外一个任务，从宏观角度看，一段时间内执行了多个任务，这被称为并发。

对于多核 CPU 时，多个任务可以同时被不同核心的 CPU 同时执行，这被称为并行。

SMP

SMP 的意思是对称多处理，代表着每个 CPU 的地位是相等的，对资源的使用权限也是相同的，多个 CPU 共享同一个内存，每个 CPU 都可以访问完整的内存和硬件资源。

这个特点决定了 Linux 操作系统不会有某个 CPU 单独服务应用程序或内核程序，而是每个程序都可以被分配到任意一个 CPU 上被执行。

ELF

ELF 的意思是可执行文件链接格式，它是 Linux 操作系统中可执行文件的存储格式

ELF 文件格式

ELF 把文件分成了一个个分段，每一个段都有自己的作用，具体每个段的作用这里就不详细说明了，感兴趣的同学可以去看《程序员的自我修养——链接、装载和库》这本书。

另外，ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了「运行时」所需的段，而 Section header table 记录了二进制文件中各个「段的首地址」。

那 ELF 文件怎么生成的呢？

我们编写的代码，首先通过「编译器」编译成汇编代码，接着通过「汇编器」变成目标代码，也就是目标文件，最后通过「链接器」把多个目标文件以及调用的各种函数库链接起来，形成一个可执行文件，也就是 ELF 文件。

那 ELF 文件是怎么被执行的呢？

执行 ELF 文件的时候，会通过「装载器」把 ELF 文件装载到内存里，CPU 读取内存中宏内核的特征是系统内核的所有模块，比如进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等，都运行在内核态。

不过，Linux 也实现了动态加载内核模块的功能，例如大部分设备驱动是以可加载模块的形式存在的，与内核其他模块解藕，让驱动开发和驱动加载更为方便、灵活。

Sysctl命令及linux内核参数调整

一、Sysctl命令用来配置与显示在/proc/sys目录中的内核参数．如果想使参数长期保存，可以通过编辑/etc/sysctl.conf文件来实现。

命令格式：

sysctl [-n] [-e] -w variable=value

sysctl [-n] [-e] -p (default /etc/sysctl.conf)

sysctl [-n] [-e] –a

常用参数的意义：

-w  临时改变某个指定参数的值，如

# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

-a  显示所有的系统参数

-p从指定的文件加载系统参数,默认从/etc/sysctl.conf 文件中加载，如：

# echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

以上两种方法都可能立即开启路由功能，但如果系统重启，或执行了

# service network restart

命令，所设置的值即会丢失，如果想永久保留配置，可以修改/etc/sysctl.conf文件，将 net.ipv4.ip_forward=0改为net.ipv4.ip_forward=1

二、linux内核参数调整：linux 内核参数调整有两种方式

方法一：修改/proc下内核参数文件内容，不能使用编辑器来修改内核参数文件，理由是由于内核随时可能更改这些文件中的任意一个，另外，这些内核参数文件都是虚拟文件，实际中不存在，因此不能使用编辑器进行编辑，而是使用echo命令，然后从命令行将输出重定向至 /proc 下所选定的文件中。如：将 timeout_timewait 参数设置为30秒：

# echo 30 >/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout

参数修改后立即生效，但是重启系统后，该参数又恢复成默认值。因此，想永久更改内核参数，需要修改/etc/sysctl.conf文件

方法二．修改/etc/sysctl.conf文件。检查sysctl.conf文件，如果已经包含需要修改的参数，则修改该参数的值，如果没有需要修改的参数，在sysctl.conf文件中添加参数。如：

net.ipv4.tcp_fin_timeout=30

保存退出后，可以重启机器使参数生效，如果想使参数马上生效，也可以执行如下命令：

# sysctl  -p

三、sysctl.conf 文件中参数设置及说明

proc/sys/net/core/wmem_max

最大socket写buffer,可参考的优化值:873200

/proc/sys/net/core/rmem_max

最大socket读buffer,可参考的优化值:873200

/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem

TCP写buffer,可参考的优化值: 8192 436600 873200

/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem

TCP读buffer,可参考的优化值: 32768 436600 873200

/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem

同样有3个值,意思是:

net.ipv4.tcp_mem[0]:低于此值,TCP没有内存压力.

net.ipv4.tcp_mem[1]:在此值下,进入内存压力阶段.

net.ipv4.tcp_mem[2]:高于此值,TCP拒绝分配socket.

上述内存单位是页,而不是字节.可参考的优化值是:786432 1048576 1572864

/proc/sys/net/core/netdev_max_backlog

进入包的最大设备队列.默认是300,对重负载服务器而言,该值太低,可调整到1000

/proc/sys/net/core/somaxconn

listen()的默认参数,挂起请求的最大数量.默认是128.对繁忙的服务器,增加该值有助于网络性能.可调整到256.

/proc/sys/net/core/optmem_max

socket buffer的最大初始化值,默认10K

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

进入SYN包的最大请求队列.默认1024.对重负载服务器,可调整到2048

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2

TCP失败重传次数,默认值15,意味着重传15次才彻底放弃.可减少到5,尽早释放内核资源.

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes

这3个参数与TCP KeepAlive有关.默认值是:

tcp_keepalive_time = 7200 seconds (2 hours)

tcp_keepalive_probes = 9

tcp_keepalive_intvl = 75 seconds

意思是如果某个TCP连接在idle 2个小时后,内核才发起probe.如果probe 9次(每次75秒)不成功,内核才彻底放弃,认为该连接已失效.对服务器而言,显然上述值太大. 可调整到:

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 1800

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl 30

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes 3

/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

指定端口范围的一个配置,默认是32768 61000,已够大.

net.ipv4.tcp_syncookies = 1

表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

表示如果套接字由本端要求关闭，这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200

表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为20分钟。

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000

表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小：32768到61000，改为1024到65000。

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192

表示SYN队列的长度，默认为1024，加大队列长度为8192，可以容纳更多等待连接的网络连接数。

net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000

表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量，如果超过这个数字，TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息。默认为 180000，改为 5000。对于Apache、Nginx等服务器，上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量，但是对于Squid，效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT套接字的最大数量，避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT套接字拖死。

Linux上的NAT与iptables

谈起Linux上的NAT，大多数人会跟你提到iptables。原因是因为iptables是目前在linux上实现NAT的一个非常好的接口。它通过和内核级直接操作网络包，效率和稳定性都非常高。这里简单列举一些NAT相关的iptables实例命令，可能对于大多数实现有多帮助。

这里说明一下，为了节省篇幅，这里把准备工作的命令略去了，仅仅列出核心步骤命令，所以如果你单单执行这些没有实现功能的话，很可能由于准备工作没有做好。如果你对整个命令细节感兴趣的话，可以直接访问我的《如何让你的Linux网关更强大》系列文章，其中对于各个脚本有详细的说明和描述。

# 案例1：实现网关的MASQUERADE

# 具体功能：内网网卡是eth1，外网eth0，使得内网指定本服务做网关可以访问外网

EXTERNAL="eth0"

INTERNAL="eth1"

# 这一步开启ip转发支持，这是NAT实现的前提

echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

iptables -t nat -A POSTROUTING -o $EXTERNAL -j MASQUERADE

# 案例2：实现网关的简单端口映射

# 具体功能：实现外网通过访问网关的外部ip:80，可以直接达到访问私有网络内的一台主机192.168.1.10:80效果

LOCAL_EX_IP=11.22.33.44 #设定网关的外网卡ip，对于多ip情况，参考《如何让你的Linux网关更强大》系列文章

LOCAL_IN_IP=192.168.1.1  #设定网关的内网卡ip

INTERNAL="eth1" #设定内网卡

# 这一步开启ip转发支持，这是NAT实现的前提

echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 加载需要的ip模块，下面两个是ftp相关的模块，如果有其他特殊需求，也需要加进来

modprobe ip_conntrack_ftp

modprobe ip_nat_ftp

# 这一步实现目标地址指向网关外部ip:80的访问都吧目标地址改成192.168.1.10:80

iptables -t nat -A PREROUTING -d $LOCAL_EX_IP -p tcp --dport 80 -j DNAT --to 192.168.1.10

# 这一步实现把目标地址指向192.168.1.10:80的数据包的源地址改成网关自己的本地ip，这里是192.168.1.1

iptables -t nat -A POSTROUTING -d 192.168.1.10 -p tcp --dport 80 -j SNAT --to $LOCAL_IN_IP

# 在FORWARD链上添加到192.168.1.10:80的允许，否则不能实现转发

iptables -A FORWARD -o $INTERNAL -d 192.168.1.10 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT

# 通过上面重要的三句话之后，实现的效果是，通过网关的外网ip:80访问，全部转发到内网的192.168.1.10:80端口，实现典型的端口映射

# 特别注意，所有被转发过的数据都是源地址是网关内网ip的数据包，所以192.168.1.10上看到的所有访问都好像是网关发过来的一样，而看不到外部ip

# 一个重要的思想：数据包根据“从哪里来，回哪里去”的策略来走，所以不必担心回头数据的问题

# 现在还有一个问题，网关自己访问自己的外网ip:80，是不会被NAT到192.168.1.10的，这不是一个严重的问题，但让人很不爽，解决的方法如下：

iptables -t nat -A OUTPUT -d $LOCAL_EX_IP -p tcp --dport 80 -j DNAT --to 192.168.1.10

获取系统中的NAT信息和诊断错误

了解/proc目录的意义

在Linux系统中，/proc是一个特殊的目录，proc文件系统是一个伪文件系统，它只存在内存当中，而不占用外存空间。它包含当前系统的一些参数（variables）和状态（status）情况。它以文件系统的方式为访问系统内核数据的操作提供接口

通过/proc可以了解到系统当前的一些重要信息，包括磁盘使用情况，内存使用状况，硬件信息，网络使用情况等等，很多系统监控工具（如HotSaNIC）都通过/proc目录获取系统数据。

另一方面通过直接操作/proc中的参数可以实现系统内核参数的调节，比如是否允许ip转发，syn-cookie是否打开，tcp超时时间等。

获得参数的方式：

第一种：cat /proc/xxx/xxx，如 cat /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter

第二种：sysctl http://xxx.xxx.xxx，如 sysctl net.ipv4.conf.all.rp_filter

改变参数的方式：

第一种：echo value >/proc/xxx/xxx，如 echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter

第二种：sysctl [-w] variable=value，如 sysctl [-w] net.ipv4.conf.all.rp_filter=1

以上设定系统参数的方式只对当前系统有效，重起系统就没了，想要保存下来，需要写入/etc/sysctl.conf文件中

通过执行 man 5 proc可以获得一些关于proc目录的介绍

查看系统中的NAT情况

和NAT相关的系统变量

/proc/slabinfo：内核缓存使用情况统计信息（Kernel slab allocator statistics）

/proc/sys/net/ipv4/ip_conntrack_max：系统支持的最大ipv4连接数，默认65536（事实上这也是理论最大值）

/proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_tcp_timeout_established 已建立的tcp连接的超时时间，默认432000，也就是5天

和NAT相关的状态值

/proc/net/ip_conntrack：当前的前被跟踪的连接状况，nat翻译表就在这里体现（对于一个网关为主要功能的Linux主机，里面大部分信息是NAT翻译表）

/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range：本地开放端口范围，这个范围同样会间接限制NAT表规模

# 1. 查看当前系统支持的最大连接数

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_conntrack_max

# 值：默认65536，同时这个值和你的内存大小有关，如果内存128M，这个值最大8192，1G以上内存这个值都是默认65536

# 影响：这个值决定了你作为NAT网关的工作能力上限，所有局域网内通过这台网关对外的连接都将占用一个连接，如果这个值太低，将会影响吞吐量

# 2. 查看tcp连接超时时间

cat /proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_tcp_timeout_established

# 值：默认432000（秒），也就是5天

# 影响：这个值过大将导致一些可能已经不用的连接常驻于内存中，占用大量链接资源，从而可能导致NAT ip_conntrack: table full的问题

# 建议：对于NAT负载相对本机的 NAT表大小很紧张的时候，可能需要考虑缩小这个值，以尽早清除连接，保证有可用的连接资源；如果不紧张，不必修改

# 3. 查看NAT表使用情况（判断NAT表资源是否紧张）

# 执行下面的命令可以查看你的网关中NAT表情况

cat /proc/net/ip_conntrack

# 4. 查看本地开放端口的范围

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

# 返回两个值，最小值和最大值

# 下面的命令帮你明确一下NAT表的规模

wc -l /proc/net/ip_conntrack

#或者

grep ip_conntrack /proc/slabinfo | grep -v expect | awk '{print $1 ',' $2}'

# 下面的命令帮你明确可用的NAT表项，如果这个值比较大，那就说明NAT表资源不紧张

grep ip_conntrack /proc/slabinfo | grep -v expect | awk '{print $1 ',' $3}'

# 下面的命令帮你统计NAT表中占用端口最多的几个ip，很有可能这些家伙再做一些bt的事情，嗯bt的事情:-)

cat /proc/net/ip_conntrack | cut -d ' ' -f 10 | cut -d '=' -f 2 | sort | uniq -c | sort -nr | head -n 10

# 上面这个命令有点瑕疵cut -d' ' -f10会因为命令输出有些行缺项而造成统计偏差，下面给出一个正确的写法：

cat /proc/net/ip_conntrack | perl -pe s/^\(.*?\)src/src/g | cut -d ' ' -f1 | cut -d '=' -f2 | sort | uniq -c | sort -nr | head -n 10

https://kernel.0voice.com/

作为高性能WEB服务器，只调整Nginx本身的参数是不行的，因为Nginx服务依赖于高性能的操作系统。

以下为常见的几个Linux内核参数优化方法。

net.ipv4.tcp_max_tw_buckets

对于tcp连接，服务端和客户端通信完后状态变为timewait，假如某台服务器非常忙，连接数特别多的话，那么这个timewait数量就会越来越大。

毕竟它也是会占用一定的资源，所以应该有一个最大值，当超过这个值，系统就会删除最早的连接，这样始终保持在一个数量级。

这个数值就是由net.ipv4.tcp_max_tw_buckets这个参数来决定的。

CentOS7系统，你可以使用sysctl -a |grep tw_buckets来查看它的值，默认为32768，

你可以适当把它调低，比如调整到8000，毕竟这个状态的连接太多也是会消耗资源的。

但你不要把它调到几十、几百这样，因为这种状态的tcp连接也是有用的，

如果同样的客户端再次和服务端通信，就不用再次建立新的连接了，用这个旧的通道，省时省力。

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

该参数的作用是快速回收timewait状态的连接。上面虽然提到系统会自动删除掉timewait状态的连接，但如果把这样的连接重新利用起来岂不是更好。

所以该参数设置为1就可以让timewait状态的连接快速回收，它需要和下面的参数配合一起使用。

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

该参数设置为1，将timewait状态的连接重新用于新的TCP连接，要结合上面的参数一起使用。

net.ipv4.tcp_syncookies = 1

tcp三次握手中，客户端向服务端发起syn请求，服务端收到后，也会向客户端发起syn请求同时连带ack确认，

假如客户端发送请求后直接断开和服务端的连接，不接收服务端发起的这个请求，服务端会重试多次，

这个重试的过程会持续一段时间（通常高于30s），当这种状态的连接数量非常大时，服务器会消耗很大的资源，从而造成瘫痪，

正常的连接进不来，这种恶意的半连接行为其实叫做syn flood攻击。

设置为1，是开启SYN Cookies，开启后可以避免发生上述的syn flood攻击。

开启该参数后，服务端接收客户端的ack后，再向客户端发送ack+syn之前会要求client在短时间内回应一个序号，

如果客户端不能提供序号或者提供的序号不对则认为该客户端不合法，于是不会发ack+syn给客户端，更涉及不到重试。

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog

该参数定义系统能接受的最大半连接状态的tcp连接数。客户端向服务端发送了syn包，服务端收到后，会记录一下，

该参数决定最多能记录几个这样的连接。在CentOS7，默认是256，当有syn flood攻击时，这个数值太小则很容易导致服务器瘫痪，

实际上此时服务器并没有消耗太多资源（cpu、内存等），所以可以适当调大它，比如调整到30000。

net.ipv4.tcp_syn_retries

该参数适用于客户端，它定义发起syn的最大重试次数，默认为6，建议改为2。

net.ipv4.tcp_synack_retries

该参数适用于服务端，它定义发起syn+ack的最大重试次数，默认为5，建议改为2，可以适当预防syn flood攻击。

net.ipv4.ip_local_port_range

该参数定义端口范围，系统默认保留端口为1024及以下，以上部分为自定义端口。这个参数适用于客户端，

当客户端和服务端建立连接时，比如说访问服务端的80端口，客户端随机开启了一个端口和服务端发起连接，

这个参数定义随机端口的范围。默认为32768 61000，建议调整为1025 61000。

net.ipv4.tcp_fin_timeout

tcp连接的状态中，客户端上有一个是FIN-WAIT-2状态，它是状态变迁为timewait前一个状态。

该参数定义不属于任何进程的该连接状态的超时时间，默认值为60，建议调整为6。

net.ipv4.tcp_keepalive_time

tcp连接状态里，有一个是established状态，只有在这个状态下，客户端和服务端才能通信。正常情况下，当通信完毕，

客户端或服务端会告诉对方要关闭连接，此时状态就会变为timewait，如果客户端没有告诉服务端，

并且服务端也没有告诉客户端关闭的话（例如，客户端那边断网了），此时需要该参数来判定。

比如客户端已经断网了，但服务端上本次连接的状态依然是established，服务端为了确认客户端是否断网，

就需要每隔一段时间去发一个探测包去确认一下看看对方是否在线。这个时间就由该参数决定。它的默认值为7200秒，建议设置为30秒。

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl

该参数和上面的参数是一起的，服务端在规定时间内发起了探测，查看客户端是否在线，如果客户端并没有确认，

此时服务端还不能认定为对方不在线，而是要尝试多次。该参数定义重新发送探测的时间，即第一次发现对方有问题后，过多久再次发起探测。

默认值为75秒，可以改为3秒。

net.ipv4.tcp_keepalive_probes

第10和第11个参数规定了何时发起探测和探测失败后再过多久再发起探测，但并没有定义一共探测几次才算结束。

该参数定义发起探测的包的数量。默认为9，建议设置2。

设置和范例

在Linux下调整内核参数，可以直接编辑配置文件/etc/sysctl.conf，然后执行sysctl -p命令生效

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