服务端 TCP 连接TIME_WAIT怎么破？77%的人都不知道~

问题描述

模拟高并发的场景，会出现批量的 TIME_WAIT 的 TCP 连接：

短时间后，所有的 TIME_WAIT 全都消失，被回收，端口包括服务，均正常。即，在高并发的场景下，TIME_WAIT 连接存在，属于正常现象。

线上场景中，持续的高并发场景：

• 一部分 TIME_WAIT 连接被回收，但新的 TIME_WAIT 连接产生；
• 一些极端情况下，会出现大量的 TIME_WAIT 连接。

“

Think：上述大量的 TIME_WAIT 状态 TCP 连接，有什么业务上的影响吗？

”

Nginx 作为反向代理时，大量的短链接，可能导致 Nginx 上的 TCP 连接处于 time_wait 状态：

• 每一个 time_wait 状态，都会占用一个「本地端口」，上限为 65535(16 bit，2 Byte)；
• 当大量的连接处于 time_wait 时，新建立 TCP 连接会出错，address already in use : connect 异常

统计 TCP 连接的状态：

// 统计：各种连接的数量

$ netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'

ESTABLISHED 1154

TIME_WAIT 1645

Tips：TCP 本地端口数量，上限为 65535（6.5w），这是因为 TCP 头部使用 16 bit，存储「端口号」，因此约束上限为 65535。

问题分析

大量的 TIME_WAIT 状态 TCP 连接存在，其本质原因是什么？

1. 大量的短连接存在
2. 特别是 HTTP 请求中，如果 connection 头部取值被设置为 close 时，基本都由「服务端」发起主动关闭连接
3. 而，TCP 四次挥手关闭连接机制中，为了保证 ACK 重发和丢弃延迟数据，设置 time_wait 为 2 倍的 MSL（报文最大存活时间）

TIME_WAIT 状态：

1. TCP 连接中，主动关闭连接的一方出现的状态；（收到 FIN 命令，进入 TIME_WAIT 状态，并返回 ACK 命令）
2. 保持 2 个 MSL 时间，即，4 分钟；（MSL 为 2 分钟）

解决办法

解决上述 time_wait 状态大量存在，导致新连接创建失败的问题，一般解决办法：

1. 客户端，HTTP 请求的头部，connection 设置为 keep-alive，保持存活一段时间：现在的浏览器，一般都这么进行了
2. 服务器端
   允许 time_wait 状态的 socket 被重用
   缩减 time_wait 时间，设置为 1 MSL（即，2 mins）

结论：几个核心要点

1. time_wait 状态的影响：

2. • TCP 连接中，「主动发起关闭连接」的一端，会进入 time_wait 状态
   • time_wait 状态，默认会持续 2 MSL（报文的最大生存时间），一般是 2×2 mins
   • time_wait 状态下，TCP 连接占用的端口，无法被再次使用
   • TCP 端口数量，上限是 6.5w（65535，16 bit）
   • 大量 time_wait 状态存在，会导致新建 TCP 连接会出错，address already in use : connect 异常

3. 现实场景：

4. • 服务器端，一般设置：不允许「主动关闭连接」
   • 但 HTTP 请求中，http 头部 connection 参数，可能设置为 close，则，服务端处理完请求会主动关闭 TCP 连接
   • 现在浏览器中， HTTP 请求 connection 参数，一般都设置为 keep-alive
   • Nginx 反向代理场景中，可能出现大量短链接，服务器端，可能存在

5. 解决办法：

6. • 服务器端允许 time_wait 状态的 socket 被重用
   • 缩减 time_wait 时间，设置为 1 MSL（即，2 mins）

附录

几个方面：

1. TCP 连接状态的查询
2. MSL 时间
3. TCP 三次握手和四次握手

附录 A：查询 TCP 连接状态

Mac 下，查询 TCP 连接状态的具体命令：

// Mac 下，查询 TCP 连接状态
$ netstat -nat |grep TIME_WAIT

// Mac 下，查询 TCP 连接状态，其中 -E 表示 grep 或的匹配逻辑
$ netstat -nat | grep -E "TIME_WAIT|Local Address"
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
tcp4 0 0 127.0.0.1.1080 127.0.0.1.59061 TIME_WAIT

// 统计：各种连接的数量
$ netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'
ESTABLISHED 1154
TIME_WAIT 1645

附录 B：MSL 时间
MSL，Maximum Segment Lifetime，“报文最大生存时间”

1. 任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。（IP 报文）
2. TCP报文 （segment）是ip数据报（datagram）的数据部分。

Tips：RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。

2MSL，TCP 的 TIME_WAIT 状态，也称为2MSL等待状态：

1. 当TCP的一端发起主动关闭（收到 FIN 请求），在发出最后一个ACK 响应后，即第3次握 手完成后，发送了第四次握手的ACK包后，就进入了TIME_WAIT状态。
2. 必须在此状态上停留两倍的MSL时间，等待2MSL时间主要目的是怕最后一个 ACK包对方没收到，那么对方在超时后将重发第三次握手的FIN包，主动关闭端接到重发的FIN包后，可以再发一个ACK应答包。
3. 在 TIME_WAIT 状态时，两端的端口不能使用，要等到2MSL时间结束，才可继续使用。（IP 层）
4. 当连接处于2MSL等待阶段时，任何迟到的报文段都将被丢弃。
   不过在实际应用中，可以通过设置 「SO_REUSEADDR选项」，达到不必等待2MSL时间结束，即可使用被占用的端口。

附录 C：TCP 三次握手和四次握手
具体示意图：

1. 三次握手，建立连接过程
2. 四次挥手，释放连接过程

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