timewait:time_wait 详解和解决方案

 2021-07-04 17:41    77  

产生原因

timewait:time_wait 详解和解决方案

TCP 连接关闭时timewait,会有 4 次通讯(四次挥手),来确认双方都停止收发数据了。如上图,主动关闭方,最后发送 ACK 时,会进入 TIME_WAIT 状态,要等 2MSL 时间后,这条连接才真正消失。

为什么要进入 TIME_WAIT 状态timewait?TCP 的可靠传输机制要求,被动关闭方(简称 S)要确保最后发送的 FIN K 对方能收到。比如网络中的某个路由器出现异常,主动关闭方(简称 C)回复的 ACK K+1 没有及时到达,S 就会重发 FIN K 给 C。如果此时 C 不进入 TIME_WAIT 状态,立马关闭连接,会有 2 种情况:

C 机器上timewait,有可能新起的连接会重用旧连接的端口,此时新连接就会收到 S 端重发的 FIN K 消息,导致新连接传输出现错误。C 机器上,并没有用旧连接端口,此时会回复给 S 端一个 RST 类型的消息,应用程序报 connect reset by peer 异常。为避免上面情况, TCP 会等待 2 MSL 时间,让 S 发的 FIN K 和 C 回复的 ACK K+1 在网络上消失,才真正清除掉连接。

为什么等待 2 MSL 时间?MSL是 Maximum Segment Lifetime的英文缩写,可译为“最长报文段寿命”,是 TCP 协议规定报文段在网络中最长生存时间,超出后报文段就会被丢弃。RFC793 定义 MSL 为 2 分钟,一般 Linux 会默认设置个更小的值 30 秒。

MSL 时间,是从 C 回复 ACK 后开始 TIME_WAIT 计时,如果这期间收到 S 重发的 FIN 在回复 ACK 后,重新开始计时。这块代码是 Linux tcp_timewait_state_process 函数处理的。

而 2 MSL 是为了确保 C 和 S 两端发送的数据都在网络中消失,不会影响后续的新连接,该如何理解?

假设 C 回复 ACK ,S 经过 t 时间后收到,则有 0 < t <= MSL,因为 C 并不知道 S 多久收到,所以 C 至少要维持 MSL 时间的 TIME_WAIT 状态,才确保回复的 ACK 从网络中消失。 如果 S 在 MSL 时间收到 ACK, 而收到前一瞬间, 因为超时又重传一个 FIN ,这个包又要 MSL 时间才会从网络中消失。

回复需要 MSL 消失 + 发送需要 MSL 消失 = 2 MSL。

导致问题从前面的分析来看,出现 TIME_WAIT 属于正常行为。但在实际生产环境中,大量的 TIME_WAIT 会导致系统异常。

假设前面的 C 是 Client,S 是 Server,如果 C 或 出现大量的 TIME_WAIT,会导致新连接无端口可以用,出现

Cannot assign requested address 错误。这是因为端口被占完了,Linux 一般默认端口范围是:32768-61000,可以通过 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range 来查看。根据 TCP 连接四元组计算,C 连接 S 最多有 28232 可以用,也就是说最多同时有 28232 个连接保持。

看着挺多,但如果用短连接的话很快就会出现上面错误,因为每个连接关闭后,需要保持 2 MSL 时间,也就是 4分钟。这意味着 4 分钟内最多建立 28232 个连接,每秒钟 117 个,在高并发系统下一般不够用的。

Nginx连接主动关闭方会进入 TIME_WAIT,如果 C 先关闭,C 会出现上面错误。如果是客户端时真正的客户(浏览器),一般不会触发上面的错误。

如果 C 是应用程序或代理,比如 Nginx,此时链路是:浏览器 -> Nginx -> 应用。 因为 Nginx 是转发请求,自身也是客户端,所以如果 Nginx 到应用是短连接,每次转发完请求都主动关闭连接,那很快会触发到端口不够用的错误。

Nginx 默认配置连接到后端是 不支持 ,所以每次后端应用都会主动关闭连接,这样后端出现 TIME_WAIT,而 Nginx 不会出现。

后端出现大量的 TIME_WAIT 一般问题不明显,但需要注意的点是:

查看服务器上 /var/log/messages 有没有 TCP: time wait bucket table overflow 的日志,有的话是超出最大 TIME_WAIT 的数量了,超出后系统会把多余的 TIME_WAIT 删除掉,会导致前面章节介绍的 2 种情况。

这个错误可以调大内核参数 /etc/sysctl.conf 中 tcp_max_tw_buckets 来解决。

长连接另外个解决方案是 Nginx 与后端调用,启用 开启 keep-alive ,保持长连接。配置如下:

500; # 与后端最多保持的长连接数量 } proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; ## 不会生效 server { location / { proxy_ 1.1; # 启用 proxy_set_header Connection ""; } }}proxy_set_header Connection ""; 这个配置是设置 Nginx 请求后端的 Connection header 的值为空。目的是防止客户端传值 close 给 Nginx,Nginx 又转发给后端,导致无法保持长连接。

在 Nginx 配置中有个注意的点是:当前配置 location 中如果定义了 proxy_set_header ,则不会从上级继承 proxy_set_header 了,如上面配置的 proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr 则不会生效。

没有显示定义的 header,Nginx 默认只带下面 2 个 header:

proxy_set_header Host $proxy_host;proxy_set_header Connection close;解决方案除保持长连接外,调整系统参数也可以解决大量 TIME_WAIT 的问题。

加快回收tcp_tw_timeout = 30:表示连接在 TIME_WAIT 状态下的过期时间。这里配置 30 秒后回收,如前面计算调整后 28232 / 30 = 936, 每秒钟可建立连接 936 个。

增加端口数量ip_local_port_range = 1024 65535: 调整后最大端口数量 64511,64511 / 30 = 2150,每秒钟可建立连接 2150 个。

复用 TIME_WAIT 连接tcp_tw_reuse = 1: 1 表示开启复用 TIME_WAIT 状态的连接,这个参数在 Linux tcp_twsk_unique 函数中读取的。

int reuse = sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_tw_reuse; // tcptw->tw_ts_recent_stamp 为 1 表示旧的 TIME_WAIT 连接是携带时间戳的,需要开启 tcp_timestamps (已默认开启)。 // tcp_tw_reuse reuse 开启复用 // time_after32 表示旧的 TIME_WAIT 连接,最后收到数据已超过 1 秒。 if (tcptw->tw_ts_recent_stamp && (!twp || (reuse && time_after32(ktime_get_seconds(), tcptw->tw_ts_recent_stamp)))) { if (likely(!tp->repair)) { u32 seq = tcptw->tw_snd_nxt + 65535 + 2; if (!seq) seq = 1; WRITE_ONCE(tp->write_seq, seq); tp->rx_opt.ts_recent = tcptw->tw_ts_recent; tp->rx_opt.ts_recent_stamp = tcptw->tw_ts_recent_stamp; } sock_hold(sktw); return 1; }其他tcp_tw_recycle 也有效果,但不建议调整,Linux 4.12 后已经移除这个参数了,这里不做介绍了。

调整命令:

// 临时生效sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1sysctl -p// 长久生效vi /etc/sysctl.conf

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