TCP之再谈解决服务器TIMEWAIT过多的问题

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。

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。

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：
1. 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。
2. 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:(

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。

可行而且必须存在，但是不符合原则的解决方式

1. linux没有在sysctl或者proc文件系统暴露修改这个TIMEWAIT超时时间的接口，可以修改内核协议栈代码中关于这个TIMEWAIT的超时时间参数，重编内核，让它缩短超时时间，加快回收；
2. 利用SO_LINGER选项的强制关闭方式，发RST而不是FIN，来越过TIMEWAIT状态，直接进入CLOSED状态。详见我的博文《TCP之选项SO_LINGER》。

我如何看待这个问题

为什么说上述两种解决方式我觉得可行，但是不符合原则？
我首先认为，我要依靠TIMEWAIT状态来保证我的服务器程序健壮，网络上发生的乱七八糟的问题太多了，我先要服务功能正常。
那是不是就不要性能了呢？并不是。如果服务器上跑的短连接业务量到了我真的必须处理这个TIMEWAIT状态过多的问题的时候，我的原则是尽量处理，而不是跟TIMEWAIT干上，非先除之而后快：）如果尽量处理了，还是解决不了问题，仍然拒绝服务部分请求，那我会采取分机器的方法，让多台机器来抗这些高并发的短请求。持续十万并发的短连接请求，两台机器，每台5万个，应该够用了吧。一般的业务量以及国内大部分网站其实并不需要关注这个问题，一句话，达不到需要关注这个问题的访问量。
真正地必须使用上述我认为不合理的方式来解决这个问题的场景有没有呢？答案是有。
像淘宝、百度、新浪、京东商城这样的站点，由于有很多静态小图片业务，如果过度分服会导致需要上线大量机器，多买机器多花钱，得多配机房，多配备运维工程师来守护这些机器，成本增长非常严重。。。这个时候就要尽一切可能去优化。
题外话，服务器上的技术问题没有绝对，一切都是为业务需求服务的。

如何尽量处理TIMEWAIT过多

sysctl改两个内核参数就行了，如下：
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
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”。
如果并发量真的非常非常高，打开这个其实用处不大。