C1000k 新思路：用户态 TCP/IP 协议栈

C1000k 新思路：用户态 TCP/IP 协议栈

现在的服务器支撑上百万个并发 TCP 连接已经不是新闻（余锋2010年的演讲，ideawu 的 iComet 开源项目，WhatsApp 做到了 2.5M）。实现 C1000k 的常规做法是调整内核参数，提高文件数，降低每个连接的内存消耗（参考 ideawu 的博客）。

在今年的 BSDCan2014 会议上， Patrick Kelsey 介绍了把 FreeBSD 9.x 的 TCP/IP 协议栈移植到了用户态(slides, github.com/pkelsey/libuinet)，并用于 WANProxy 项目。在用户态运行 TCP/IP 协议栈意味着并发 TCP 连接不再占用系统文件数，只占内存，解决了 C1000k 的一大瓶颈，内核只要提供一个收发网络 packet 的接口就行（例如netmap）。

内核的网络协议栈强调通用性，主要是为吞吐量优化（性能指标通常是 MB/s 或 packets per second），顺带兼顾大量并发连接。为了支持 C1000k，要调整内核参数让每个连接少占资源，这与内核代码的设计初衷是违背的。

用户态协议栈捅破了这层窗户纸，可以根据应用的特点来剪裁协议栈功能。优化也更直接，不再是调黑盒参数组合，而是直接上 profiling，根据结果修改应用程序和协议栈的代码。

用户态协议栈的吞吐量比不上内核，不过对 C1000k 的应用场合（例如 comet）应该不成问题。

muduo 的 C1000k 实验

我用 muduo 做了一次 C1000k 的实验，用的是传统方案，没有用 libuinet。在一台 16GB 内存的 Dell WS490 旧工作站上创建了 50万个 TCP 连接，提供 echo 服务。系统可用内存减少了 5286MiB，即每个连接 10.8KiB（其中服务进程占用了 1421MiB 内存，即每个连接 2.9KiB，其余 8KiB 左右是内核协议栈的开销）。客户端是一台 8GB 内存的 i5-2500，内存消耗也是 5GB 多，因此这次实验只试到了 C500k。客户机绑定了 10 个 IP，每个 IP 上发出 5 万 TCP 连接，运行 pingpong 协议，每个连接轮流收发 64 字节的消息。测得 QPS 大约是 11k，服务器的 CPU 占用率约为 60%（单线程）。profile 显示 CPU 的主要开销在内核中，我对这个结果基本满意。

复活 4.4BSD-Lite2 的网络协议栈

受 libuinet 启发，我把 4.4BSD-Lite2 的网络协议栈也移植到了 Linux 用户态(github.com/chenshuo/4.4BSD-Lite2)，方便《TCP/IP 详解 第2卷》的读者跟踪调试其代码。以下是 Eclipse CDT 单步跟踪的截图。

也可以用各种现成的工具来分析函数的调用关系：

我在《谈一谈网络编程学习经验》中说这本书的“代码只能看，不能上机运行，也不能改动试验”如今不再成立了。

我在《关于 TCP 并发连接的几个思考题与试验》中用 TAP/TUN 作为自己写的协议栈的对外接口，对 4.4BSD-Lite2 也可如法炮制，让 20 年前的 TCP/IP 协议栈与现在的机器通信。除了与本机通信，还可以通过 NAT 转发，让 4.4BSD-Lite2 连上现在的 Internet。（sudo iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 2009 -i eth0 -j DNAT --to192.168.0.2:2009）