《高性能Linux服务器构建实战：系统安全、故障排查、自动化运维与集群架构》——2.3　网络性能评估工具iperf

本节书摘来自华章计算机《高性能Linux服务器构建实战：系统安全、故障排查、自动化运维与集群架构》一书中的第2章，第2.3节,作者：高俊峰著， 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.3　网络性能评估工具iperf

网络性能评估主要是监测网络带宽的使用率，将网络带宽利用最大化是保证网络性能的基础，但是由于网络设计不合理、网络存在安全漏洞等原因，都会导致网络带宽利用率低。要找到网络带宽利用率低的原因，可以对网络传输进行监控，此时就需要用到一些网络性能评估工具，而iperf就是这样一个网络带宽测试工具，本节将详细介绍iperf的使用方式。

2.3.1　iperf能做什么

iperf是一个基于TCP/IP和UDP/IP的网络性能测试工具，它可以用来测量网络带宽和网络质量，还可以提供网络延迟抖动、数据包丢失率、最大传输单元等统计信息。网络管理员可以根据这些信息了解并判断网络性能问题，从而定位网络瓶颈，解决网络故障。
下面介绍iperf的主要功能。
（1）TCP方面
测试网络带宽。
支持多线程，在客户端与服务器端支持多重连接。
报告MSS/MTU值的大小。
支持TCP窗口值自定义并可通过套接字缓冲。
（2）UDP方面
可以设置指定带宽的UDP数据流。
可以测试网络抖动值、丢包数。
支持多播测试。
支持多线程，在客户端与服务器端支持多重连接。
2.3.2　iperf的安装与使用
iperf可以运行在任何IP网络上，包括本地以太网、接入因特网、Wi-Fi网络等。在工作模式上，iperf运行于服务器端、客户端模式下，其服务器端主要用于监听到达的测试请求，而客户端主要用于发起连接会话，因此要使用iperf，需要两台服务器，一台运行在服务器模式下，另一台运行在客户端模式下。
1 . 安装iperf
iperf支持Win32、Linux、FreeBSD、Mac OS X、OpenBSD和Solaris等多种操作系统平台。读者可以从iperf官方网站：http://iperf.fr/下载各种版本，目前最新的版本是iperf3.0，这里下载的软件包为iperf-3.0.tar.gz，安装过程如下：

[root@ networkserver ~]# tar zxvf iperf-3.0.tar.gz
[root@ networkserver ~]# cd iperf
[root@ networkserver iperf]# make
[root@ networkserver iperf]# make install

这样，iperf就安装完成了。
2 . iperf参数介绍
在完成iperf安装后，执行“iperf3 -h”即可显示iperf的详细用法。iperf的命令行选项共分为三类，分别是客户端与服务器端公用选项、服务器端专用选项和客户端专用选项，下面对常用的选项进行介绍。
服务器端专用选项的含义如表2-4所示。

客户端专用选项的含义如表2-5所示。

客户端与服务器端公用选项的含义如表2-6所示。

2.3.3　iperf应用实例
要使用iperf，首先启动一个服务器端，这里假定服务器端的IP地址为192.168.12.168，在此服务器上运行“iperf3 -s”即可开启iperf的服务器端模式。在默认情况下，iperf3将在服务器端打开一个5201监听端口，此时就可以将另一台服务器作为客户端执行iperf功能测试。
1 . 测试TCP吞吐量
为了确定网卡的最大吞吐量，可以在任意客户端运行iperf命令，iperf将尝试从客户端尽可能快地向服务器端发送数据请求，并且会输出发送的数据量和网卡平均带宽值。图2-14展示了通过一个最简单的带宽测试命令的输出结果。

从图2-14可以看出，iperf默认的运行时间是10s，每隔1s输出一次传输状态，同时还可以看到每秒传输的数据量在112MB左右，刚好与“Bandwidth”列的值对应起来，网卡的带宽速率维持在941Mbits/sec左右，而测试的服务器是千兆网卡，这个测试值也基本合理。在输出的最后，iperf还给出了总的数据发送、接收量，以及带宽速率平均值，通过这些值，基本可以判断网络带宽是否正常，网络传输状态是否稳定。
iperf提供很多参数，可以多角度、全方位地测试网络带宽利用率，例如，要改变iperf运行的时间和输出频率，可以通过“-t”和“-i”参数来实现，如图2-15所示。

从图2-15可以看出，输出状态的间隔变为每5s一次，总共执行测试时间为20s，测试的带宽速率仍然保持在941Mbits/sec左右，唯一变化的是失败重传次数增加了。
为了模拟大量的数据传输，也可以指定要发送的数据量，这可以通过“-n”参数来实现。在指定“-n”参数后，“-t”参数失效，iperf在传输完毕指定大小的数据包后，自动结束，如图2-16所示。

图2-16的例子是指定发送一个5GB左右的数据包，并且每隔10s输出一次传输状态，从这个输出可以看出，当失败重传次数较多时，传输速率急速下降。
有时候，为了模拟更真实的TCP应用，iperf客户端允许从一个特定的文件发送数据，这可以通过“-F”参数实现，如图2-17所示。

在图2-17的例子中，通过“-F”参数指定了一个webdata.tar.gz文件作为iperf要传输的数据。在使用此参数时，需要同时指定一个“-t”参数来设置要测试传输的时间，这个时间尽量设置长一些，因为在默认传输时间10s内，这个文件可能还没有传完。
在使用iperf进行网络带宽测试时，如果没有指定发送方式，iperf客户端只会使用单一的线程，而iperf是支持多线程的，可以使用iperf提供的“-P”参数来设置多线程的数目，通过使用多线程，可以在一定程度上增加网络的吞吐量。
下面通过两个例子进行简单对比，图2-18是iperf使用单线程传输1.86GB数据所消耗的时间和带宽使用情况。为了速率单位统一，这里使用“-f”参数将输出结果都通过MBytes/sec来显示。

从图2-18中可以看出，传输1.86GB的数据消耗了17s的时间，平均带宽速率为112MBytes/sec（注意单位）。下面再看看使用多线程后，iperf传输同样大小数据量所消耗的时间和平均带宽速率，如图2-19所示。

这里通过“-P”参数开启了2个多线程，从传输时间上看，传输1.86GB的数据，消耗时间为10.79s，比之前单线程的传输时间少了近7s，在平均带宽速率上，从之前单线程的112MBytes/sec提高到177MBytes/sec，从这个结果可以看出，多线程对网络传输性能的提高不小。
2 . 测试UDP丢包和延迟
iperf也可以用于UDP数据包吞吐量、丢包率和延迟指标，但是由于UDP协议是一个非面向连接的轻量级传输协议，并且不提供可靠的数据传输服务，因此对UDP应用的关注点不是传输数据有多快，而是它的丢包率和延时指标。通过iperf的“-u”参数即可测试UDP应用的传输性能，图2-20测试的是在iperf客户端传输100MB的UDP数据包的输出结果。

在图2-20中，重点关注虚线下的一段内容，在这段输出中，“Jitter”列表示抖动时间，或者称为传输延迟，“Lost/Total”列表示丢失的数据包和总的数据包数量，后面的0.33%是平均丢包的比率，“Datagrams”列显示的是总共传输数据包的数量。
这个输出结果过于简单，要了解更详细的UDP丢包和延时信息，可以在iperf服务端查看，因为在客户端执行传输测试的同时，服务器端也会同时显示传输状态，如图2-21所示。

在这个输出中，详细记录了在传输过程中，每个阶段的传输延时和丢包率，在UDP应用中随着传输数据的增大，丢包率和延时也随之增加。对于延时和丢包可以通过改变应用程序来缓解或修复，例如视频流应用，通过缓存数据的方式可以容忍更大的延时。