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USB 之三 常用抓包/协议分析工具(Bus Hound、USBlyzer、USBTrace、USB Monitor Pro、USBMON等)

 

服务器TIME_WAIT和CLOSE_WAIT详解和解决办法

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TCP报文格式

参考TCP报文段来理解一下第一图的数据传输细节:
事实上SYN J、SYN K ack=J+1,ack=K+1表示的意思是:
1、SYN标志位设置为1,而J表示的是此报文段的序列号seq
2、SYN、ACK标志位设置为1,K表示的是此报文段的序列号seq,ack=J+1表示确认序号设置为上次接收到的报文段的序列号的+1
3、ACK标志位设置为1,ack=K+1表示确认序号设置为上次接收到的报文段的序列号的+1

FIN ACK同理。

1、TIME_WAIT状态本身和应用层的客户端或者服务器是没有关系的。仅仅是主动关闭的一方,在使用FIN|ACK|FIN|ACK四分组正常关闭TCP连接的时候会出现这个TIMEWAIT。
服务器在处理客户端请求的时候,如果你的程序设计为服务器主动关闭,那么你才有可能需要关注这个TIMEWAIT状态过多的问题。
如果你的服务器设计为被动关闭,那么你首先要关注的是CLOSE_WAIT。

2、原则
TIMEWAIT并不是多余的。在TCP协议被创造,经历了大量的实际场景实践之后,TIMEWAIT出现了,因为TCP主动关闭连接的一方需要TIMEWAIT状态,它是我们的朋友。这是《UNIX网络编程》的作者----Steven对TIMEWAIT的态度。

3、TIMEWAIT是友好的
TCP要保证在所有可能的情况下使得所有的数据都能够被正确送达。当你关闭一个socket时,主动关闭一端的socket将进入TIME_WAIT状态,而被动关闭一方则转入CLOSED状态,这的确能够保证所有的数据都被传输。当一个socket关闭的时候,是通过两端四次握手完成的,当一端调用close()时,就说明本端没有数据要发送了。这好似看来在握手完成以后,socket就都可以处于初始的CLOSED状态了,其实不然。原因是这样安排状态有两个问题, 首先,我们没有任何机制保证最后的一个ACK能够正常传输,第二,网络上仍然有可能有残余的数据包(wandering duplicates),我们也必须能够正常处理。
TIMEWAIT就是为了解决这两个问题而生的。
1.假设最后一个ACK丢失了,被动关闭一方会重发它的FIN。主动关闭一方必须维持一个有效状态信息(TIMEWAIT状态下维持),以便能够重发ACK。如果主动关闭的socket不维持这种状态而进入CLOSED状态,那么主动关闭的socket在处于CLOSED状态时,接收到FIN后将会响应一个RST。被动关闭一方接收到RST后会认为出错了。如果TCP协议想要正常完成必要的操作而终止双方的数据流传输,就必须完全正确的传输四次握手的四个环节,不能有任何的丢失。这就是为什么socket在关闭后,仍然处于TIME_WAIT状态的第一个原因,因为他要等待以便重发ACK。
2.假设目前连接的通信双方都已经调用了close(),双方同时进入CLOSED的终结状态,而没有走TIME_WAIT状态。会出现如下问题,现在有一个新的连接被建立起来,使用的IP地址与端口与先前的完全相同,后建立的连接是原先连接的一个完全复用。还假定原先的连接中有数据报残存于网络之中,这样新的连接收到的数据报中有可能是先前连接的数据报。为了防止这一点,TCP不允许新连接复用TIME_WAIT状态下的socket。处于TIME_WAIT状态的socket在等待两倍的MSL时间以后(之所以是两倍的MSL,是由于MSL是一个数据报在网络中单向发出到认定丢失的时间,一个数据报有可能在发送途中或是其响应过程中成为残余数据报,确认一个数据报及其响应的丢弃的需要两倍的MSL),将会转变为CLOSED状态。这就意味着,一个成功建立的连接,必然使得先前网络中残余的数据报都丢失了。

4、大量TIMEWAIT在某些场景中导致的令人头疼的业务问题
大量TIMEWAIT出现,并且需要解决的场景
在高并发短连接的TCP服务器上,当服务器处理完请求后立刻按照主动正常关闭连接。这个场景下,会出现大量socket处于TIMEWAIT状态。如果客户端的并发量持续很高,此时部分客户端就会显示连接不上。
我来解释下这个场景。主动正常关闭TCP连接,都会出现TIMEWAIT。为什么我们要关注这个高并发短连接呢?有两个方面需要注意:

高并发可以让服务器在短时间范围内同时占用大量端口,而端口有个0~65535的范围,并不是很多,刨除系统和其他服务要用的,剩下的就更少了。
在这个场景中,短连接表示“业务处理+传输数据的时间 远远小于 TIMEWAIT超时的时间”的连接。这里有个相对长短的概念,比如,取一个web页面,1秒钟的http短连接处理完业务,在关闭连接之后,这个业务用过的端口会停留在TIMEWAIT状态几分钟,而这几分钟,其他HTTP请求来临的时候是无法占用此端口的。单用这个业务计算服务器的利用率会发现,服务器干正经事的时间和端口(资源)被挂着无法被使用的时间的比例是 1:几百,服务器资源严重浪费。(说个题外话,从这个意义出发来考虑服务器性能调优的话,长连接业务的服务就不需要考虑TIMEWAIT状态。同时,假如你对服务器业务场景非常熟悉,你会发现,在实际业务场景中,一般长连接对应的业务的并发量并不会很高)
综合这两个方面,持续的到达一定量的高并发短连接,会使服务器因端口资源不足而拒绝为一部分客户服务。同时,这些端口都是服务器临时分配,无法用SO_REUSEADDR选项解决这个问题。
5、一对矛盾
TIMEWAIT既友好,又令人头疼。
但是我们还是要抱着一个友好的态度来看待它,因为它尽它的能力保证了服务器的健壮性。

6、如何尽量处理TIMEWAIT过多
netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'
显示TCP各种连接状态的数量,类似如下信息
TIME_WAIT 1920
FIN_WAIT2 5
ESTABLISHED 363
发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接,通过调整内核参数解决,
vi /etc/sysctl.conf
编辑文件,加入以下内容:
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。

简单来说,就是打开系统的TIMEWAIT重用和快速回收,至于怎么重用和快速回收,这个问题我没有深究,实际场景中这么做确实有效果。用netstat或者ss观察就能得出结论。
还有些朋友同时也会打开syncookies这个功能,如下:
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
打开这个syncookies的目的实际上是:“在服务器资源(并非单指端口资源,拒绝服务有很多种资源不足的情况)不足的情况下,尽量不要拒绝TCP的syn(连接)请求,尽量把syn请求缓存起来,留着过会儿有能力的时候处理这些TCP的连接请求”。

7、CLOSE_WAIT过多的原因出在程序本身,是由于被动关闭连接处理不当导致的。回到程序中检查连接关闭处理。

 

END

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