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10 | 案例篇：系统的软中断CPU使用率升高，我该怎么办？

2018-12-12 倪朋飞
Linux性能优化实战
进入课程

讲述：冯永吉

时长12:47大小11.72M

你好，我是倪朋飞。

上一期我给你讲了软中断的基本原理，我们先来简单复习下。

中断是一种异步的事件处理机制，用来提高系统的并发处理能力。中断事件发生，会触发执行中断处理程序，而中断处理程序被分为上半部和下半部这两个部分。

  • 上半部对应硬中断，用来快速处理中断；

  • 下半部对应软中断，用来异步处理上半部未完成的工作。

Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型，我们可以查看 proc 文件系统中的 /proc/softirqs ，观察软中断的运行情况。

在 Linux 中，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU 编号。当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题。

软中断 CPU 使用率过高也是一种最常见的性能问题。今天，我就用最常见的反向代理服务器 Nginx 的案例，教你学会分析这种情况。

案例

你的准备

接下来的案例基于 Ubuntu 18.04，也同样适用于其他的 Linux 系统。我使用的案例环境是这样的：

  • 机器配置：2 CPU、8 GB 内存。

  • 预先安装 docker、sysstat、sar 、hping3、tcpdump 等工具，比如 apt-get install docker.io sysstat hping3 tcpdump。

这里我又用到了三个新工具，sar、 hping3 和 tcpdump，先简单介绍一下：

  • sar 是一个系统活动报告工具，既可以实时查看系统的当前活动，又可以配置保存和报告历史统计数据。

  • hping3 是一个可以构造 TCP/IP 协议数据包的工具，可以对系统进行安全审计、防火墙测试等。

  • tcpdump 是一个常用的网络抓包工具，常用来分析各种网络问题。

本次案例用到两台虚拟机，我画了一张图来表示它们的关系。

你可以看到，其中一台虚拟机运行 Nginx ，用来模拟待分析的 Web 服务器；而另一台当作 Web 服务器的客户端，用来给 Nginx 增加压力请求。使用两台虚拟机的目的，是为了相互隔离，避免“交叉感染”。

接下来，我们打开两个终端，分别 SSH 登录到两台机器上，并安装上面提到的这些工具。

同以前的案例一样，下面的所有命令都默认以 root 用户运行，如果你是用普通用户身份登陆系统，请运行 sudo su root 命令切换到 root 用户。

如果安装过程中有什么问题，同样鼓励你先自己搜索解决，解决不了的，可以在留言区向我提问。如果你以前已经安装过了，就可以忽略这一点了。

操作和分析

安装完成后，我们先在第一个终端，执行下面的命令运行案例，也就是一个最基本的 Nginx 应用：

# 运行 Nginx 服务并对外开放 80 端口
$ docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx
复制代码

然后，在第二个终端，使用 curl 访问 Nginx 监听的端口，确认 Nginx 正常启动。假设 192.168.0.30 是 Nginx 所在虚拟机的 IP 地址，运行 curl 命令后你应该会看到下面这个输出界面：

$ curl http://192.168.0.30/
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...
复制代码

接着，还是在第二个终端，我们运行 hping3 命令，来模拟 Nginx 的客户端请求：

# -S 参数表示设置 TCP 协议的 SYN（同步序列号），-p 表示目的端口为 80
# -i u100 表示每隔 100 微秒发送一个网络帧
# 注：如果你在实践过程中现象不明显，可以尝试把 100 调小，比如调成 10 甚至 1
$ hping3 -S -p 80 -i u100 192.168.0.30
复制代码

现在我们再回到第一个终端，你应该发现了异常。是不是感觉系统响应明显变慢了，即便只是在终端中敲几个回车，都得很久才能得到响应？这个时候应该怎么办呢？

虽然在运行 hping3 命令时，我就已经告诉你，这是一个 SYN FLOOD 攻击，你肯定也会想到从网络方面入手，来分析这个问题。不过，在实际的生产环境中，没人直接告诉你原因。

所以，我希望你把 hping3 模拟 SYN FLOOD 这个操作暂时忘掉，然后重新从观察到的问题开始，分析系统的资源使用情况，逐步找出问题的根源。

那么，该从什么地方入手呢？刚才我们发现，简单的 SHELL 命令都明显变慢了，先看看系统的整体资源使用情况应该是个不错的注意，比如执行下 top 看看是不是出现了 CPU 的瓶颈。我们在第一个终端运行 top 命令，看一下系统整体的资源使用情况。

# top 运行后按数字 1 切换到显示所有 CPU
$ top
top - 10:50:58 up 1 days, 22:10,  1 user,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks: 122 total,   1 running,  71 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 96.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  3.3 si,  0.0 st
%Cpu1  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 95.6 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  4.4 si,  0.0 st
...
 
  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    7 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.64 ksoftirqd/0
   16 root      20   0       0      0      0 S   0.3  0.0   0:01.97 ksoftirqd/1
 2663 root      20   0  923480  28292  13996 S   0.3  0.3   4:58.66 docker-containe
 3699 root      20   0       0      0      0 I   0.3  0.0   0:00.13 kworker/u4:0
 3708 root      20   0   44572   4176   3512 R   0.3  0.1   0:00.07 top
    1 root      20   0  225384   9136   6724 S   0.0  0.1   0:23.25 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.03 kthreadd
...
复制代码

这里你有没有发现异常的现象？我们从第一行开始，逐个看一下：

  • 平均负载全是 0，就绪队列里面只有一个进程（1 running）。

  • 每个 CPU 的使用率都挺低，最高的 CPU1 的使用率也只有 4.4%，并不算高。

  • 再看进程列表，CPU 使用率最高的进程也只有 0.3%，还是不高呀。

那为什么系统的响应变慢了呢？既然每个指标的数值都不大，那我们就再来看看，这些指标对应的更具体的含义。毕竟，哪怕是同一个指标，用在系统的不同部位和场景上，都有可能对应着不同的性能问题。

仔细看 top 的输出，两个 CPU 的使用率虽然分别只有 3.3% 和 4.4%，但都用在了软中断上；而从进程列表上也可以看到，CPU 使用率最高的也是软中断进程 ksoftirqd。看起来，软中断有点可疑了。

根据上一期的内容，既然软中断可能有问题，那你先要知道，究竟是哪类软中断的问题。停下来想想，上一节我们用了什么方法，来判断软中断类型呢？没错，还是 proc 文件系统。观察 /proc/softirqs 文件的内容，你就能知道各种软中断类型的次数。

不过，这里的各类软中断次数，又是什么时间段里的次数呢？它是系统运行以来的累积中断次数。所以我们直接查看文件内容，得到的只是累积中断次数，对这里的问题并没有直接参考意义。因为，这些中断次数的变化速率才是我们需要关注的。

那什么工具可以观察命令输出的变化情况呢？我想你应该想起来了，在前面案例中用过的 watch 命令，就可以定期运行一个命令来查看输出；如果再加上 -d 参数，还可以高亮出变化的部分，从高亮部分我们就可以直观看出，哪些内容变化得更快。

比如，还是在第一个终端，我们运行下面的命令：

$ watch -d cat /proc/softirqs
                    CPU0       CPU1
          HI:          0          0
       TIMER:    1083906    2368646
      NET_TX:         53          9
      NET_RX:    1550643    1916776
       BLOCK:          0          0
    IRQ_POLL:          0          0
     TASKLET:     333637       3930
       SCHED:     963675    2293171
     HRTIMER:          0          0
         RCU:    1542111    1590625
复制代码

通过 /proc/softirqs 文件内容的变化情况，你可以发现， TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）等这几个软中断都在不停变化。

其中，NET_RX，也就是网络数据包接收软中断的变化速率最快。而其他几种类型的软中断，是保证 Linux 调度、时钟和临界区保护这些正常工作所必需的，所以它们有一定的变化倒是正常的。

那么接下来，我们就从网络接收的软中断着手，继续分析。既然是网络接收的软中断，第一步应该就是观察系统的网络接收情况。这里你可能想起了很多网络工具，不过，我推荐今天的主人公工具 sar 。

sar 可以用来查看系统的网络收发情况，还有一个好处是，不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的 PPS，即每秒收发的网络帧数。

我们在第一个终端中运行 sar 命令，并添加 -n DEV 参数显示网络收发的报告：

# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔 1 秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
15:03:46        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil
15:03:47         eth0  12607.00   6304.00    664.86    358.11      0.00      0.00      0.00      0.01
15:03:47      docker0   6302.00  12604.00    270.79    664.66      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
15:03:47    veth9f6bbcd   6302.00  12604.00    356.95    664.66      0.00      0.00      0.00      0.05
复制代码

对于 sar 的输出界面，我先来简单介绍一下，从左往右依次是：

  • 第一列：表示报告的时间。

  • 第二列：IFACE 表示网卡。

  • 第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是 PPS。

  • 第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS。

  • 后面的其他参数基本接近 0，显然跟今天的问题没有直接关系，你可以先忽略掉。

我们具体来看输出的内容，你可以发现：

  • 对网卡 eth0 来说，每秒接收的网络帧数比较大，达到了 12607，而发送的网络帧数则比较小，只有 6304；每秒接收的千字节数只有 664 KB，而发送的千字节数更小，只有 358 KB。

  • docker0 和 veth9f6bbcd 的数据跟 eth0 基本一致，只是发送和接收相反，发送的数据较大而接收的数据较小。这是 Linux 内部网桥转发导致的，你暂且不用深究，只要知道这是系统把 eth0 收到的包转发给 Nginx 服务即可。具体工作原理，我会在后面的网络部分详细介绍。

从这些数据，你有没有发现什么异常的地方？

既然怀疑是网络接收中断的问题，我们还是重点来看 eth0 ：接收的 PPS 比较大，达到 12607，而接收的 BPS 却很小，只有 664 KB。直观来看网络帧应该都是比较小的，我们稍微计算一下，664*1024/12607 = 54 字节，说明平均每个网络帧只有 54 字节，这显然是很小的网络帧，也就是我们通常所说的小包问题。

那么，有没有办法知道这是一个什么样的网络帧，以及从哪里发过来的呢？

使用 tcpdump 抓取 eth0 上的包就可以了。我们事先已经知道， Nginx 监听在 80 端口，它所提供的 HTTP 服务是基于 TCP 协议的，所以我们可以指定 TCP 协议和 80 端口精确抓包。

接下来，我们在第一个终端中运行 tcpdump 命令，通过 -i eth0 选项指定网卡 eth0，并通过 tcp port 80 选项指定 TCP 协议的 80 端口：

# -i eth0 只抓取 eth0 网卡，-n 不解析协议名和主机名
# tcp port 80 表示只抓取 tcp 协议并且端口号为 80 的网络帧
$ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 458303614, win 512, length 0
...
复制代码

从 tcpdump 的输出中，你可以发现

  • 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80 ，表示网络帧从 192.168.0.2 的 18238 端口发送到 192.168.0.30 的 80 端口，也就是从运行 hping3 机器的 18238 端口发送网络帧，目的为 Nginx 所在机器的 80 端口。

  • Flags [S] 则表示这是一个 SYN 包。

再加上前面用 sar 发现的， PPS 超过 12000 的现象，现在我们可以确认，这就是从 192.168.0.2 这个地址发送过来的 SYN FLOOD 攻击。

到这里，我们已经做了全套的性能诊断和分析。从系统的软中断使用率高这个现象出发，通过观察 /proc/softirqs 文件的变化情况，判断出软中断类型是网络接收中断；再通过 sar 和 tcpdump ，确认这是一个 SYN FLOOD 问题。

SYN FLOOD 问题最简单的解决方法，就是从交换机或者硬件防火墙中封掉来源 IP，这样 SYN FLOOD 网络帧就不会发送到服务器中。

至于 SYN FLOOD 的原理和更多解决思路，你暂时不需要过多关注，后面的网络章节里我们都会学到。

案例结束后，也不要忘了收尾，记得停止最开始启动的 Nginx 服务以及 hping3 命令。

在第一个终端中，运行下面的命令就可以停止 Nginx 了：

# 停止 Nginx 服务
$ docker rm -f nginx
复制代码

然后到第二个终端中按下 Ctrl+C 就可以停止 hping3。

小结

软中断 CPU 使用率（softirq）升高是一种很常见的性能问题。虽然软中断的类型很多，但实际生产中，我们遇到的性能瓶颈大多是网络收发类型的软中断，特别是网络接收的软中断。

在碰到这类问题时，你可以借用 sar、tcpdump 等工具，做进一步分析。不要害怕网络性能，后面我会教你更多的分析方法。

思考

最后，我想请你一起来聊聊，你所碰到的软中断问题。你所碰到的软中问题是哪种类型，是不是这个案例中的小包问题？你又是怎么分析它们的来源并解决的呢？可以结合今天的案例，总结你自己的思路和感受。如果遇到过其他问题，也可以留言给我一起解决。

欢迎在留言区和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。

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 写留言

精选留言(70)

  • 倪朋飞 置顶
    2018-12-12
    23
    统一回复一下终端卡顿的问题，这个是由于网络延迟增大（甚至是丢包）导致的。比如你可以再拿另外一台机器（也就是第三台）在 hping3 运行的前后 ping 一下案例机器，ping -c3 <ip>

    hping3 运行前，你可能看到最长的也不超过 1 ms：

    3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2028ms
    rtt min/avg/max/mdev = 0.815/0.914/0.989/0.081 ms

    而 hping3 运行时，不仅平均延迟增长到了 245 ms，而且还会有丢包的发生：

    3 packets transmitted, 2 received, 33% packet loss, time 2026ms
    rtt min/avg/max/mdev = 240.637/245.758/250.880/5.145 ms

    网络问题的排查方法在后面的文章中还会讲，这儿只是从 CPU 利用率的角度出发，你可以发现也有可能是网络导致的问题。
    展开
  • 2xshu
    2018-12-12
    9
    老师，网络软中断明明只占了百分之四左右。为什么终端会感觉那么卡呢？不是很理解这点呢

    作者回复: 参考置顶回复

  • 赵强强
    2018-12-12
    8
    倪老师，案例中硬中断CPU占用率为啥是0呢，硬中断和软中断次数不是基本一致的吗?
  • Days
    2018-12-13
    6
    软终端不高导致系统卡顿，我的理解是这样的，其实不是系统卡顿，而是由于老师用的ssh远程登录，在这期间hping3大量发包，导致其他网络连接延迟，ssh通过网络连接，使ssh客户端感觉卡顿现象。

    作者回复: 正解👍

  • 卿卿子衿
    2018-12-12
    6
    有同学说在查看软中断数据时会显示128个核的数据，我的也是，虽然只有一个核，但是会显示128个核的信息，用下面的命令可以提取有数据的核，我的1核，所以这个命令只能显示1核，多核需要做下修改

    watch -d "/bin/cat /proc/softirqs | /usr/bin/awk 'NR == 1{printf \"%13s %s\n\",\" \",\$1}; NR > 1{printf \"%13s %s\n\",\$1,\$2}'"
    展开

    作者回复: 谢谢分享

  • 向阳胜
    2018-12-27
    4
    搞运维好些年了。一些底层性能的东西，感觉自己始终是一知半解，通过这个专栏了解的更深入了，确实学到了很多。而且老师也一直在积极回复同学们的问题，相比某些专栏的老师发出来就不管的状态好太多。给老师点赞。
    展开

    作者回复: 也很高兴看到大家有所收获😊

  • 我来也
    2018-12-12
    3
    [D10打卡]
     "hping3 -S -p 80 -i u100 192.168.0.30" 这里的u100改为了1 也没觉得终端卡,top的软中断%si倒是从4%上升了不少,吃满了一个cpu.
    可能是我直接在宿主机上开终端的原因,本身两个虚拟机都在这个宿主机上,都是走的本地网络.
    本地网卡可能还处理的过来.
    -----------
    在工作中,倒是没有遇到小包导致的性能问题.
    也许是用户数太少,流量不够.[才二三十兆带宽], 也许是之前发生了,自己并不知道.
    在工作中遇到的软中间导致的性能问题就是上期说的usleep(1)了.
    -----------
    本期又学到新东西了:
    1.sar 原来可以这么方便的看各网卡流量,甚至是网络帧数.
    到目前为止,我都是用的最原始的方法:在网上找的一个脚本,分析ifconfig中的数据,来统计某个网卡的流量.一来需要指定某个网卡(默认eth0),二来显示的数据不太准确且不友好(sleep 1做差值).
    2.nping3 居然可以用来模拟SYN FLOOD. (不要用来做坏事哦)
    3.tcpdump 之前有所耳闻. 用的不多. 平常有解包需求,都是在windows下用wireshark,毕竟是图形界面.
    -----------
    有同学说"仅凭tcpdump发现一个syn包就断定是SYN FLOOD，感觉有些草断"
    我是这样认为的:
    你tcpdump 截取一段时间的日志, 除去正常的流量, 着重分析异常的,再根据ip来统计出现的次数, 还是可以合理推理出来老师结论的.
    毕竟平常不会有哪个ip每秒产生这么多的syn,且持续这么长时间.
    展开

    作者回复: 👍

    最后一个问题其实前面已经看到PPS了

  • 黄海峰
    2018-12-12
    3
    这真是非常干货和务实的一个专栏，这么便宜，太值了。。。

    作者回复: 😊

  • xfan
    2018-12-12
    2
    ssh的tty其实也是通过网络传输的，既然是经过网卡，当然会卡，这就是攻击所带来的结果

    作者回复: 对的

  • Vicky🐣...
    2018-12-12
    2
    1. 网络收发软中断过多导致命令行比较卡，是因为键盘敲击命令行属于硬中断，内核也需要去处理的原因吗？
    2. 观察/proc/softirqs，发现变化的值是TIMER、NET_RX、BLOCK、RCU，奇怪的是SCHED一直为0，求老师解答
    展开

    作者回复: 我们是SSH登陆的机器，还是走网络而不是键盘中断😓

  • 几叶星辰
    2019-01-24
    1
    怎么让网卡中断平衡呢，可以请教下linux 2.6.40。中断平衡问题吗，以及内核版本更高的版本？

    作者回复: 配置 smp_affinity 或者开启 irqbalance 服务

  • 男人十八一...
    2018-12-17
    1
    cat /proc/softirqs时我有4个cpu，可用
    watch -d "/bin/cat /proc/softirqs | /usr/bin/awk 'NR == 1{printf \"%-15s %-15s %-15s %-15s %-15s\n\",\" \",\$1,\$2,\$3,\$4}; NR > 1{printf \"%-15s %-15s %-15s %-15s %-15s\n\",\$1,\$2,\$3,\$4,\$5}'"
    查看
    展开

    作者回复: 谢谢分享👍 不懂awk的赶紧去学习😊

  • Vicky🐣...
    2018-12-12
    1
    执行了一下hping3，机器直接卡死了，登录不上去了，哈哈

    作者回复: 可能太猛了，调整下参数再试试

  • chenjt
    2018-12-12
    1
    同问，这种情况下cpu使用率这么低，为什么会感到卡顿呢

    作者回复: 参考置顶回复

  • bluefantas...
    2018-12-12
    1
    老师，既然软中断并没有占用太多cpu资源，为啥会影响其他任务的性能？

    作者回复: 参考置顶回复

  • zqing
    2018-12-12
    1
    同问:老师，网络软中断明明只占了百分之四左右。为什么终端会感觉那么卡呢？不是很理解这点呢

    作者回复: 参考置顶回复

  • shawn
    2019-05-06
    既然卡顿是由于网络攻击造成的，并且cpu的使用率没有提高，那么标题可否换一下呢？

    作者回复: 不是没有提高，而是提高了，但提高的不是很明显。不过，即便不明显，也是排查问题的线索

  • 聰
    2019-05-03
    把hping3调到u1去发动攻击，在node1上发现一种奇特的现象，cpu0 的使用率很低，但高软中断，会导致低的idle ，请教老师为什么会这样.
    [root@master ~]# mpstat -P ALL 1
    Linux 3.10.0-957.10.1.el7.x86_64 (master) 05/03/2019 _x86_64_ (2 CPU)

    11:02:07 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
    11:02:08 AM all 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 44.79 0.00 0.00 0.00 55.21
    11:02:08 AM 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 91.49 0.00 0.00 0.00 8.51
    11:02:08 AM 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

    11:02:08 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
    11:02:09 AM all 0.51 0.00 1.02 0.00 0.00 43.65 0.00 0.00 0.00 54.82
    11:02:09 AM 0 0.00 0.00 1.01 0.00 0.00 86.87 0.00 0.00 0.00 12.12
    11:02:09 AM 1 0.00 0.00 1.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.97

    11:02:09 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
    11:02:10 AM all 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 50.00 0.00 0.00 0.00 50.00
    11:02:10 AM 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00
    11:02:10 AM 1 0.00 0.00 1.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.99

    Average: CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
    Average: all 0.26 0.00 0.64 0.00 0.00 45.19 0.00 0.00 0.00 53.92
    Average: 0 0.00 0.00 0.26 0.00 0.00 91.43 0.00 0.00 0.00 8.31
    Average: 1 0.25 0.00 1.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.73
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  • Leon📷
    2019-05-01
    老师，我有个疑惑，cpu使用率和用户cpu和系统cpu，iowait还有软硬中断有关，我们这几篇讲iowait和软中断，都是软中断和iowait很高，但是cpu的使用率却并没有上升，如果没有直接关联性，那iowait和软硬中断怎么算影响cpu使用率的影响因子呢
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    作者回复: 仔细看的话，CPU使用率都有升高，只是可能没有你想象的那么高

  • manatee
    2019-04-25
    继续打卡，使用hping3 即使设置参数为-i u10,被攻击的机器仍旧不卡。

    作者回复: 是不是被攻击机器已经做过调优了？或者被攻击机器本身性能比攻击机器高？