TCP 三次握手,给我长脸了噢

大家好,我是小富~

前言

之前有个小伙伴在技术交流群里咨询过一个问题,我当时还给提供了点排查思路,是个典型的八股文转实战分析的案例,我觉得挺有意思,趁着中午休息简单整理出来和大家分享下,有不严谨的地方欢迎大家指出。

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问题分析

我们先来看看他的问题,下边是他在群里对这个问题的描述,我大致的总结了一下。

他们有很多的 IOT 设备与服务端建立连接,当增加设备并发请求变多,TCP连接数在接近1024个时,可用TCP连接数会降到200左右并且无法建立新连接,而且分析应用服务的GC和内存情况均未发现异常。

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从他的描述中我提取了几个关键值,1024200无法建立新连接

看到这几个数值,直觉告诉我大概率是TCP请求溢出了,我给的建议是先直接调大全连接队列半连接队列的阀值试一下效果。

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那为什么我会给出这个建议?

半连接队列和全连接队列又是个啥玩意?

弄明白这些回顾下TCP的三次握手流程,一切就迎刃而解了~

回顾TCP

TCP三次握手,熟悉吧,面试八股里经常全文背诵的题目。

话不多说先上一张图,看明白TCP连接的整个过程。

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第一步:客户端发起SYN_SEND连接请求,服务端收到客户端发起的SYN请求后,会先将连接请求放入半连接队列;

第二步:服务端向客户端响应SYN+ACK

第三步:客户端会返回ACK确认,服务端收到第三次握手的 ACK 后标识连接成功。如果这时全连接队列没满,内核会把连接从半连接队列移除,创建新的连接并将其添加到全连接队列,等待客户端调用accept()方法将连接取出来使用;

TCP协议三次握手的过程,Linux内核维护了两个队列,SYN半连接队列和accepet全连接队列。即然叫队列,那就存在队列被压满的时候,这种情况我们称之为队列溢出

当半连接队列或全连接队列满了时,服务器都无法接收新的连接请求,从而导致客户端无法建立连接。

全连接队列

队列信息

全连接队列溢出时,首先要查看全连接队列的状态,服务端通常使用 ss 命令即可查看,ss 命令获取的数据又分为 LISTEN状态 和 非LISTEN两种状态下,通常只看LISTEN状态数据就可以。

LISTEN状态

Recv-Q:当前全连接队列的大小,表示上图中已完成三次握手等待可用的 TCP 连接个数;

Send-Q:全连接最大队列长度,如上监听8888端口的TCP连接最大全连接长度为128;

# -l 显示正在Listener 的socket
# -n 不解析服务名称
# -t 只显示tcp
[root@VM-4-14-centos ~]#  ss -lnt | grep 8888
State  Recv-Q Send-Q  Local Address:Port   Peer Address:Port
LISTEN     0   100       :::8888                  :::*               

非LISTEN 状态下Recv-Q、Send-Q字段含义有所不同

Recv-Q:已收到但未被应用进程读取的字节数;

Send-Q:已发送但未收到确认的字节数;

# -n 不解析服务名称
# -t 只显示tcp
[root@VM-4-14-centos ~]#  ss -nt | grep 8888
State  Recv-Q Send-Q  Local Address:Port   Peer Address:Port
ESTAB     0   100       :::8888                  :::*               

队列溢出

一般在请求量过大,全连接队列设置过小会发生全连接队列溢出,也就是LISTEN状态下 Send-Q < Recv-Q 的情况。接收到的请求数大于TCP全连接队列的最大长度,后续的请求将被服务端丢弃,客户端无法创建新连接

# -l 显示正在Listener 的socket
# -n 不解析服务名称
# -t 只显示tcp
[root@VM-4-14-centos ~]#  ss -lnt | grep 8888
State  Recv-Q Send-Q  Local Address:Port   Peer Address:Port
LISTEN     200   100       :::8888                  :::*               

如果发生了全连接队列溢出,我们可以通过netstat -s命令查询溢出的累计次数,若这个times持续的增长,那就说明正在发生溢出。

[root@VM-4-14-centos ~]# netstat -s | grep overflowed
  7102 times the listen queue of a socket overflowed #全连接队列溢出的次数

拒绝策略

在全连接队列已满的情况,Linux提供了不同的策略去处理后续的请求,默认是直接丢弃,也可以通过tcp_abort_on_overflow配置来更改策略,其值 0 和 1 表示不同的策略,默认配置 0。

# 查看策略
[root@VM-4-14-centos ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow
0

tcp_abort_on_overflow = 0:全连接队列已满时,服务端直接丢弃客户端发送的 ACK,此时服务端仍然是 SYN_RCVD 状态,在该状态下服务端会重试几次向客户端推送 SYN + ACK

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重试次数取决于tcp_synack_retries配置,重试次数超过此配置后后,服务端不在重传,此时客户端发送数据,服务端直接向客户端回复RST复位报文,告知客户端本次建立连接已失败。

RST: 连接 reset 重置消息,用于连接的异常关闭。常用场景例如:服务端接收不存在端口的连接请求;客户端或者服务端异常,无法继续正常的连接处理,发送 RST 终止连接操作;长期未收到对方确认报文,经过一定时间或者重传尝试后,发送 RST 终止连接。

[root@VM-4-14-centos ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries
0

tcp_abort_on_overflow = 1:全连接队列已满时,服务端直接丢弃客户端发送的 ACK,直接向客户端回复RST复位报文,告知客户端本次连接终止,客户端会报错提示connection reset by peer

队列调整

解决全连接队列溢出我们可以通过调整TCP参数来控制全连接队列的大小,全连接队列的大小取决于 backlog 和 somaxconn 两个参数。

这里需要注意一下,两个参数要同时调整,因为取的两者中最小值min(backlog,somaxconn),经常发生只挑调大其中一个另一个值很小导致不生效的情况。

backlog 是在socket 创建的时候 Listen() 函数传入的参数,例如我们也可以在 Nginx 配置中指定 backlog 的大小。

server {
   listen 8888 default backlog = 200
   server_name fire100.top
   .....
}

somaxconn 是个 OS 级别的参数,默认值是 128,可以通过修改 net.core.somaxconn 配置。

[root@localhost core]# sysctl -a | grep net.core.somaxconn
net.core.somaxconn = 128
[root@localhost core]# sysctl -w net.core.somaxconn=1024
net.core.somaxconn = 1024
[root@localhost core]# sysctl -a | grep net.core.somaxconn
net.core.somaxconn = 1024

如果服务端处理请求的速度跟不上连接请求的到达速度,队列可能会被快速填满,导致连接超时或丢失。应该及时增加队列大小,以避免连接请求被拒绝或超时。

增大该参数的值虽然可以增加队列的容量,但是也会占用更多的内存资源。一般来说,建议将全连接队列的大小设置为服务器处理能力的两倍左右

半连接队列

队列信息

上边TCP三次握手过程中,我们知道服务端SYN_RECV状态的TCP连接存放在半连接队列,所以直接执行如下命令查看半连接队列长度。

[root@VM-4-14-centos ~]  netstat -natp | grep SYN_RECV | wc -l
1111

队列溢出

半连接队列溢出最常见的场景就是,客户端没有及时向服务端回ACK,使得服务端有大量处于SYN_RECV状态的连接,导致半连接队列被占满,得不到ACK响应半连接队列中的 TCP 连接无法移动全连接队列,以至于后续的SYN请求无法创建。这也是一种常见的DDos攻击方式。

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查看TCP半连接队列溢出情况,可以执行netstat -s命令,SYNs to LISTEN前的数值表示溢出的次数,如果反复查询几次数值持续增加,那就说明半连接队列正在溢出。

[root@VM-4-14-centos ~]# netstat -s | egrep “listen|LISTEN”
1606 times the listen queue of a socket overflowed
1606 SYNs to LISTEN sockets ignored

队列调整

可以修改 Linux 内核配置 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog来调大半连接队列长度。

[root@VM-4-14-centos ~]# echo 2048 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

为什么建议

看完上边对两个队列的粗略介绍,相信大家也能大致明白,为啥我会直接建议他去调大队列了。

因为从他的描述中提到了两个关键值,TCP连接数增加至1024个时,可用连接数会降至200以内,一般centos系统全连接队列长度一般默认 128,半连接队列默认长度 1024。所以队列溢出可以作为第一嫌疑对象。

全连接队列默认大小 128

[root@localhost core]# sysctl -a | grep net.core.somaxconn
net.core.somaxconn = 128

半连接队列默认大小 1024

[root@iZ2ze3ifc44ezdiif8jhf7Z ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
1024

总结

简单分享了一点TCP全连接队列、半连接队列的相关内容,讲的比较浅显,如果有不严谨的地方欢迎留言指正,毕竟还是个老菜鸟。

全连接队列、半连接队列溢出是比较常见,但又容易被忽视的问题,往往上线会遗忘这两个配置,一旦发生溢出,从CPU线程状态内存看起来都比较正常,偏偏连接数上不去。

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定期对系统压测是可以暴露出更多问题的,不过话又说回来,就像我和小伙伴聊的一样,即便测试环境程序跑的在稳定,到了线上环境也总会出现各种奇奇怪怪的问题。

我是小富,下期见~

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