TIME_WAIT和CLOSE_WAIT

我相信很多都遇到过这个问题。一旦有用户在喊：网络变慢了。第一件事情就是，netstat -a | grep TIME_WAIT | wc -l 一下。哎呀妈呀，几千个TIME_WAIT.

 

然后，做的第一件事情就是：打开Google或者Bing，输入关键词：too many time wait。一定能找到解决方案，而排在最前面或者被很多人到处转载的解决方案一定是：

 

打开 sysctl.conf 文件，修改以下几个参数：

• net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
  
• net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
  
• net.ipv4.tcp_timestamps = 1
  

   

  你也会被告知，开启tw_recylce和tw_reuse一定需要timestamps的支持，而且这些配置一般不建议开启，但是对解决TIME_WAIT很多的问题，有很好的用处。
  

   

  接下来，你就直接修改了这几个参数，reload一下，发现，咦，没几分钟，TIME_WAIT的数量真的降低了，也没发现哪个用户说有问题，然后就没有然后了。
  

   

  做到这一步，相信50%或者更高比例的开发就已经止步了。问题好像解决了，但是，要彻底理解并解决这个问题，可能就没这么简单，或者说，还有很长的路要走！
  

   

  什么是TIME-WAIT和CLOSE-WAIT?
  

   

  所谓，要解决问题，就要先理解问题。随便改两行代码，发现bug”没有了“，也不是bug真的没有了，只是隐藏在更深的地方，你没有发现，或者以你的知识水平，你无法发现而已。
  

   

  大家知道，由于socket是全双工的工作模式，一个socket的关闭，是需要四次握手来完成的。
  

   

• 主动关闭连接的一方，调用close()；协议层发送FIN包
  
• 被动关闭的一方收到FIN包后，协议层回复ACK；然后被动关闭的一方，进入CLOSE_WAIT状态，主动关闭的一方等待对方关闭，则进入FIN_WAIT_2状态；此时，主动关闭的一方
  等待
  被动关闭一方的应用程序，调用close操作
  
• 被动关闭的一方在完成所有数据发送后，调用close()操作；此时，协议层发送FIN包给主动关闭的一方，等待对方的ACK，被动关闭的一方进入LAST_ACK状态；
  
• 主动关闭的一方收到FIN包，协议层回复ACK；此时，主动关闭连接的一方，进入TIME_WAIT状态；而被动关闭的一方，进入CLOSED状态
  
• 等待2MSL时间，主动关闭的一方，结束TIME_WAIT，进入CLOSED状态
  

   

  通过上面的一次socket关闭操作，你可以得出以下几点：
  

   

1. 主动关闭连接的一方 – 也就是主动调用socket的close操作的一方，最终会进入TIME_WAIT状态
   
2. 被动关闭连接的一方，有一个中间状态，即CLOSE_WAIT，因为协议层在等待上层的应用程序，主动调用close操作后才主动关闭这条连接
   
3. TIME_WAIT会默认等待2MSL时间后，才最终进入CLOSED状态；
   
4. 在一个连接没有进入CLOSED状态之前，这个连接是不能被重用的！
   

    

   所以，这里凭你的直觉，TIME_WAIT并不可怕（not really，后面讲），CLOSE_WAIT才可怕，因为CLOSE_WAIT很多，表示说要么是你的应用程序写的有问题，没有合适的关闭socket；要么是说，你的服务器CPU处理不过来（CPU太忙）或者你的应用程序一直睡眠到其它地方(锁，或者文件I/O等等)，你的应用程序获得不到合适的调度时间，造成你的程序没法真正的执行close操作。
   

    

   这里又出现两个问题：
   

    

5. 上文提到的连接重用，那连接到底是个什么概念？
   
6. 协议层为什么要设计一个TIME_WAIT状态？这个状态为什么默认等待2MSL时间才会进入CLOSED
   

    

   先解释清楚这两个问题，我们再来看，开头提到的几个网络配置究竟有什么用，以及TIME_WAIT的后遗症问题。
   

    

   Socket连接到底是个什么概念？
   

    

   大家经常提socket，那么，到底什么是一个socket？其实，socket就是一个
   五元组，包括：
   

    

7. 源IP
   
8. 源端口
   
9. 目的IP
   
10. 目的端口
    
11. 类型：TCP or UDP
    

     

    这个五元组，即标识了一条可用的连接。注意，有很多人把一个socket定义成四元组，也就是
    源IP:源端口 + 目的IP:目的端口，这个定义是不正确的。
    

     

    例如，如果你的本地出口IP是180.172.35.150，那么你的浏览器在连接某一个Web服务器，例如百度的时候，这条socket连接的四元组可能就是：
    

     

    [180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80]
    

     

    源IP为你的出口IP地址 180.172.35.150，源端口为随机端口 45678，目的IP为百度的某一个负载均衡服务器IP 180.97.33.108，端口为HTTP标准的80端口。
    

     

    如果这个时候，你再开一个浏览器，访问百度，将会产生一条新的连接：
    

     

    [180.172.35.150:43678, tcp, 180.97.33.108:80]
    

     

    这条新的连接的源端口为一个新的随机端口 43678。
    

     

    如此来看，如果你的本机需要压测百度，那么，你最多可以创建多少个连接呢？我在文章《云思路 | 轻松构建千万级投票系统》里也稍微提过这个问题，没有阅读过本文的，可以发送“投票系统“阅读。
    

     

    第二个问题，TIME_WAIT有什么用？
    

     

    如果我们来做个类比的话，TIME_WAIT的出现，对应的是你的程序里的异常处理，它的出现，就是为了解决网络的丢包和网络不稳定所带来的其他问题：
    
    

     

    第一，防止前一个连接【五元组，我们继续以 180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 为例】上延迟的数据包或者丢失重传的数据包，被后面复用的连接【前一个连接关闭后，此时你再次访问百度，新的连接可能还是由180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 这个五元组来表示，也就是源端口凑巧还是45678】错误的接收（异常：数据丢了，或者传输太慢了），参见下图：
    

    
    

• SEQ=3的数据包丢失，重传第一次，没有得到ACK确认
  
• 如果没有TIME_WAIT，或者TIME_WAIT时间非常端，那么关闭的连接【180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 的状态变为了CLOSED，源端口可被再次利用】，马上被重用【对180.97.33.108:80新建的连接，复用了之前的随机端口45678】，并连续发送SEQ=1,2 的数据包
  
• 此时，前面的连接上的SEQ=3的数据包再次重传，同时，seq的序号刚好也是3（这个很重要，不然，SEQ的序号对不上，就会RST掉），此时，前面一个连接上的数据被后面的一个连接错误的接收
  

   

  第二，确保连接方能在时间范围内，关闭自己的连接。其实，也是因为丢包造成的，参见下图：
  

  
  

• 主动关闭方关闭了连接，发送了FIN；
  
• 被动关闭方回复ACK同时也执行关闭动作，发送FIN包；此时，被动关闭的一方进入LAST_ACK状态
  
• 主动关闭的一方回去了ACK，主动关闭一方进入TIME_WAIT状态；
  
• 但是最后的ACK丢失，被动关闭的一方还继续停留在LAST_ACK状态
  
• 此时，如果没有TIME_WAIT的存在，或者说，停留在TIME_WAIT上的时间很短，则主动关闭的一方很快就进入了CLOSED状态，也即是说，如果此时新建一个连接，源随机端口如果被复用，在connect发送SYN包后，由于被动方仍认为这条连接【五元组】还在等待ACK，但是却收到了SYN，则被动方会回复RST
  
• 造成主动创建连接的一方，由于收到了RST，则连接无法成功
  

   

  所以，你看到了，TIME_WAIT的存在是很重要的，如果强制忽略TIME_WAIT，还是有很高的机率，造成数据粗乱，或者短暂性的连接失败。
  

   

  那么，为什么说，TIME_WAIT状态会是持续2MSL（2倍的max segment lifetime）呢？这个时间可以通过修改内核参数调整吗？第一，这个2MSL，是RFC 793里定义的，参见RFC的截图标红的部分：
  

  
  这个定义，更多的是一种保障（IP数据包里的TTL，即数据最多存活的跳数，真正反应的才是数据在网络上的存活时间），确保最后丢失了ACK，被动关闭的一方再次重发FIN并等待回复的ACK，一来一去两个来回。内核里，写死了这个MSL的时间为：30秒（有读者提醒，RFC里建议的MSL其实是2分钟，但是很多实现都是30秒），所以TIME_WAIT的即为1分钟：
  

  
  

  所以，再次回想一下前面的问题，如果一条连接，即使在四次握手关闭了，由于TIME_WAIT的存在，这个连接，在1分钟之内，也无法再次被复用，那么，如果你用一台机器做压测的客户端，你一分钟能发送多少并发连接请求？如果这台是一个负载均衡服务器，一台负载均衡服务器，一分钟可以有多少个连接同时访问后端的服务器呢？
  

   

  TIME_WAIT很多，可怕吗？
  
  

   

  如果你通过 ss -tan state time-wait | wc -l 发现，系统中有很多TIME_WAIT，很多人都会紧张。多少算多呢？几百几千？如果是这个量级，其实真的没必要紧张。第一，这个量级，因为TIME_WAIT所占用的内存很少很少；因为记录和寻找可用的local port所消耗的CPU也基本可以忽略。
  

   

  会占用内存吗？当然！任何你可以看到的数据，内核里都需要有相关的数据结构来保存这个数据啊。一条Socket处于TIME_WAIT状态，它也是一条“存在“的socket，内核里也需要有保持它的数据：
  

1. 内核里有保存所有连接的一个hash table，这个hash table里面既包含TIME_WAIT状态的连接，也包含其他状态的连接。主要用于有新的数据到来的时候，从这个hash table里快速找到这条连接。不同的内核对这个hash table的大小设置不同，你可以通过dmesg命令去找到你的内核设置的大小：
   

   
   

2. 还有一个hash table用来保存所有的bound ports，主要用于可以快速的找到一个可用的端口或者随机端口：
   

   
   

    

   由于内核需要保存这些数据，必然，会占用一定的内存。
   

    

   会消耗CPU吗？当然！每次找到一个随机端口，还是需要遍历一遍bound ports的吧，这必然需要一些CPU时间。
   

    

   TIME_WAIT很多，既占内存又消耗CPU，这也是为什么很多人，看到TIME_WAIT很多，就蠢蠢欲动的想去干掉他们。其实，如果你再进一步去研究，1万条TIME_WAIT的连接，也就多消耗1M左右的内存，对现代的很多服务器，已经不算什么了。至于CPU，能减少它当然更好，但是不至于因为1万多个hash item就担忧。
   

    

   如果，你真的想去调优，还是需要搞清楚别人的调优建议，以及调优参数背后的意义！
   

    

   TIME_WAIT调优，你必须理解的几个调优参数
   

    

   在具体的图例之前，我们还是先解析一下相关的几个参数存在的意义。
   

    

   net.ipv4.tcp_timestamps
   

    

   RFC 1323 在 TCP Reliability一节里，引入了timestamp的TCP option，两个4字节的时间戳字段，其中第一个4字节字段用来保存发送该数据包的时间，第二个4字节字段用来保存最近一次接收对方发送到数据的时间。有了这两个时间字段，也就有了后续优化的余地。
   

    

   tcp_tw_reuse 和 tcp_tw_recycle就依赖这些时间字段。
   

    

   net.ipv4.tcp_tw_reuse
   

    

   字面意思，reuse TIME_WAIT状态的连接。
   

    

   时刻记住一条socket连接，就是那个五元组，出现TIME_WAIT状态的连接，一定出现在主动关闭连接的一方。所以，当主动关闭连接的一方，再次向对方发起连接请求的时候（例如，客户端关闭连接，客户端再次连接服务端，此时可以复用了；负载均衡服务器，主动关闭后端的连接，当有新的HTTP请求，负载均衡服务器再次连接后端服务器，此时也可以复用），可以复用TIME_WAIT状态的连接。
   

    

   通过字面解释，以及例子说明，你看到了，tcp_tw_reuse应用的场景：某一方，需要不断的通过“短连接“连接其他服务器，总是自己先关闭连接(TIME_WAIT在自己这方)，关闭后又不断的重新连接对方。
   

    

   那么，当连接被复用了之后，延迟或者重发的数据包到达，新的连接怎么判断，到达的数据是属于复用后的连接，还是复用前的连接呢？那就需要依赖前面提到的两个时间字段了。复用连接后，这条连接的时间被更新为当前的时间，当延迟的数据达到，延迟数据的时间是小于新连接的时间，所以，内核可以通过时间判断出，延迟的数据可以安全的丢弃掉了。
   

    

   这个配置，依赖于连接双方，同时对timestamps的支持。同时，这个配置，仅仅影响outbound连接，即做为客户端的角色，连接服务端[connect(dest_ip, dest_port)]时复用TIME_WAIT的socket。
   

    

   net.ipv4.tcp_tw_recycle
   

    

   字面意思，销毁掉 TIME_WAIT。
   

    

   当开启了这个配置后，内核会快速的回收处于TIME_WAIT状态的socket连接。多快？不再是2MSL，而是一个RTO（retransmission timeout，数据包重传的timeout时间）的时间，这个时间根据RTT动态计算出来，但是远小于2MSL。
   

    

   有了这个配置，还是需要保障
   丢失重传或者延迟的数据包，不会被新的连接(注意，这里不再是复用了，而是之前处于TIME_WAIT状态的连接已经被destroy掉了，新的连接，刚好是和某一个被destroy掉的连接使用了相同的五元组而已)所错误的接收。在启用该配置，当一个socket连接进入TIME_WAIT状态后，内核里会记录包括该socket连接对应的五元组中的对方IP等在内的一些统计数据，当然也包括从该对方IP所接收到的最近的一次数据包时间。当有新的数据包到达，只要时间晚于内核记录的这个时间，数据包都会被统统的丢掉。
   

    

   这个配置，依赖于连接双方对timestamps的支持。同时，这个配置，主要影响到了inbound的连接（对outbound的连接也有影响，但是不是复用），即做为服务端角色，客户端连进来，服务端主动关闭了连接，TIME_WAIT状态的socket处于服务端，服务端快速的回收该状态的连接。
   

    

   由此，如果客户端处于NAT的网络(多个客户端，同一个IP出口的网络环境)，如果配置了tw_recycle，就可能在一个RTO的时间内，只能有一个客户端和自己连接成功(不同的客户端发包的时间不一致，造成服务端直接把数据包丢弃掉)。

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