深入理解Socket下的TCP/IP通信原理及参数优化

Posted 有山先生

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解Socket下的TCP/IP通信原理及参数优化相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. 背景

之前上网课，发现一直对SOCKET和TCP理解得不深入，特别是TCP是如何进行通信的，在哪里配置TCP参数。本篇文章整理了SOCKET和TCP的基本原理，并通过抓包对TCP通信过程进行实践探索。最后整理了生产环境下TCP参数优化建议，加深对TCP协议的理解。

2. 网络层次中系统调用关系

应用层的程序通过系统调用方法，调用内核中传输层相关代码，与对端建立连接并进行通信。其调用关系如下：

3. TCP/IP基础知识

内核通过TCP的三次握手创建资源，建立连接；通过四次挥手断开连接，释放资源。

3.1 三次握手

三次握手过程：

  1. 由客户端发送建立TCP连接的请求报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且将报文中的SYN字段置为1，表示需要建立TCP连接。
  2. 由服务端回复客户端发送的TCP连接请求报文，其中包含seq序列号，是由回复端随机生成的，并且将SYN置为1，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发送过来的序列号seq的基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP建立请求已得到验证。
  3. 客户端收到服务端发送的TCP建立验证请求后，会使自己的序列号加1表示，并且再次回复ACK验证请求，在服务端发过来的seq上加1进行回复。

为什么要经过三次握手才建立连接？

  • 如果经过两次握手就建立连接，那么服务端就不知道客户端是否接收到SYN+ACK包。当SYN+ACK包由于网络波动丢失时，此时客户端并不会创建连接所需的资源，但是服务端已经创建资源了，这浪费了服务器资源。

3.2 四次挥手

挥手的发起方可以是客户端，也可以是服务端。以客户端为例，四次挥手过程：

  1. 客户端先向服务器发送FIN报文，请求断开连接，其状态变为FIN_WAIT1；
  2. 服务器收到FIN后向客户端发送ACK，服务器的状态围边CLOSE_WAIT；
  3. 客户端收到ACK后就进入FIN_WAIT2状态，此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端，就会继续发送；
  4. 直到发完数据，就会发送FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态；
  5. 客户端收到服务器的FIN后，马上发送ACK给服务器，此时客户端进入TIME_WAIT状态；
  6. 再过了2MSL长的时间后进入CLOSED状态。服务器收到客户端的ACK就进入CLOSED状态。

扩展：如果有大量的连接，每次在连接、关闭时都要三次握手，四次挥手，会很明显会造成性能低下，因此，HTTP有一种叫做keep connection的机制，它可以在传输数据后仍然保持连接，当客户端再次获取数据时，直接使用刚刚空闲下的连接而无需再次握手。

TCP客户端/服务端状态解释：

  • LISTEN：等待从任何远端TCP 和端口的连接请求。
  • SYN_SENT：发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求。
  • SYN_RECEIVED：发送连接请求并且接收到匹配的连接请求以后等待连接请求确认。
  • ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。
  • FIN_WAIT_1：等待远端TCP 的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。
  • FIN_WAIT_2：等待远端TCP 的连接终止请求。此时发起方的连接通道已经关闭
  • CLOSE_WAIT：等待本地用户的连接终止请求。本地用户的代码如果出现问题，可能会长期不调用close，无法释放连接。
  • CLOSING：等待远端TCP 的连接终止请求确认。
  • LAST_ACK：等待先前发送给远端TCP 的连接终止请求的确认（包括它字节的连接终止请求的确认）
  • TIME_WAIT：等待足够的时间过去以确保远端TCP 接收到它的连接终止请求的确认。
  • TIME_WAIT 两个存在的理由：
    1.可靠的实现tcp全双工连接的终止；
    2.允许老的重复分节在网络中消逝。
  • CLOSED：不在连接状态（这是为方便描述假想的状态，实际不存在）

为什么要经过四次挥手？

  • 由于服务端必须保证数据传输完成，因此发起方多了FIN_WAIT_2阶段，接收方多了CLOSE_WAIT阶段。

为什么客户端要有TIME_WAIT状态？

  • 为了保证客户端最后的ACK发送到了服务端，只要服务端在2MSL时间内，没有重发FIN数据包，说明服务端接收到了客户端的ACK。即客户端经过2MSL，才能从TIME_WAIT转为结束状态。
  • 如果在TIME_WAIT时间很短，且ESTABLISHED阶段，服务端网络抖动造成一个数据包延时到达客户端。那么当下一次socket连接复用了该端口后，数据包到达客户端，此时客户端会响应该数据包，造成网络带宽浪费。如果设置TIME_WAIT时间为2MSL，经过2MSL(MSL表示TCP数据包最大生存时间，超过该时间，数据包失效)，数据包必然失效，从而避免网络带宽浪费。

3.3 TCP概念

TCP/IP是面向连接的可靠的传输协议。

什么是连接？
双方进行三次握手后，为对方服务开辟的资源就是连接。比如开辟一块内存区域，用于接收对方数据。如下所示，当第一次握手，会在半连接队列中维护一个未完成的连接信息；当完成三次握手，会取出未完成的连接，在全连接队列中放入一个建立的连接信息。

为什么可靠？

当接收方没有返回ACK给发起方时，发起方会重试。防止网络抖动造成传输信息丢失。

4. socket基础

socket是一个概念，它用源IP+源Port+目的IP+目的Port描述网络上的唯一的一个连接。可以通过netstat命令查看当前主机的socket信息。本次实验通过netstat -antp查看所有tcp的连接信息。下图中，每一行表示当前机器与其他机器的socket连接信息：

上图中，源IP+源Port+目的IP+目的Port描述了当前socket地址信息，State描述TCP连接的状态，PID/Program name表示当前socket的通信数据传给哪个进程。最重要的，是Recv-Q和Send-Q。对于linux内核2.6.18后的版本。netstat命令Recv-Q和Send-Q的含义发生了改变：
Recv-Q：

  • 如果 TCP 连接状态处于 Established，Recv-Q 的数值表示接收缓冲区中还没拷贝到应用层的数据大小；
  • 如果 TCP 连接状态处于 Listen 状态，Recv-Q 的数值表示当前全连接队列的大小；

Send-Q：

  • 如果 TCP 连接状态处于 Established，Send-Q 的数值表示发送缓冲区中已发送但未被确认的数据大小；
  • 如果 TCP 连接状态处于 Listen 状态，Recv-Q 的数值表示当前全连接队列的上限；

如下可以看到Listen状态下的Send-Q就是最大的全连接队列上限：

通过ulimit -a可以查看文件描述符上限，一般是65535个，但是本机性能较好，调成了100w。由于socket必须通过文件描述符表示，即单机可以打开的socket连接上限为100w：

通过lsof -p $$可以看到socket与文件描述符的对应关系。下图包含本机与百度通信的连接，及其文件描述符8。命令如下：

exec 8<> /dev/tcp/www.baidu.com/80
echo -e "GET / HTTP/1.0\\n" >&8
cat <&8

5. TCP通信抓包实战

通过curl www.baidu.com 80访问百度首页，该访问过程应该包含TCP的三次握手和四次挥手。为了验证上述猜想，通过tcpdump -nn port 80命令，抓取本机通信中包含80端口的数据包：

三次握手解析：

17:47:21.064448 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [S], seq 477786385, win 65535, options [mss 1460,nop,wscale 6,nop,nop,TS val 2407185364 ecr 0,sackOK,eol], length 0
17:47:21.079251 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [S.], seq 4019569244, ack 477786386, win 8192, options [mss 1452,nop,wscale 5,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,nop,sackOK,eol], length 0
17:47:21.079341 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [.], ack 1, win 4096, length 0

逐行解析：

  1. 第一行[S]表示带有SYN标志的TCP数据包，是第一次握手。（客户端此时的状态是SYN_SENT,服务端还是LISTEN）
  2. 第二行[S.]中的.表示ACK数据包，即SYN+ACK，是第二次握手。（客户端此时状态还是SYN_SENT，服务端状态是SYN_REVD）
  3. 第三行[.]表示ACK数据包，是第三次握手。(客户端接受了数据包后状态为ESTABLISHED,服务端后续接受到了这个ACK包后才会转化为ESTABLISHED)

数据传输解析：

17:47:21.079396 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [P.], seq 1:78, ack 1, win 4096, length 77: HTTP: GET / HTTP/1.1
17:47:21.096441 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [.], ack 78, win 908, length 0
17:47:21.098300 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [.], seq 1:1453, ack 78, win 908, length 1452: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
17:47:21.098317 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [P.], seq 1453:2782, ack 78, win 908, length 1329: HTTP
17:47:21.098400 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [.], ack 2782, win 4052, length 0

上述数据传输中，就是HTTP通信过程：

  1. 第一行[P.]中的P表示TCP数据包中的PSH字段生效，该字段通知接收方传输层应该尽快的将这个报文段交给应用层。该次通信用于发送HTTP请求头。
  2. 第二行+第三行，百度发送HTTP响应头，表示接受到了HTTP请求。
  3. 第四行，百度发送其首页信息到本机，注意PSH字段同样生效了。
  4. 第五行，本机回复百度接受到了首页信息。

四次挥手解析：

17:47:21.098802 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [F.], seq 78, ack 2782, win 4096, length 0
17:47:21.109140 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [P.], seq 1453:2782, ack 78, win 908, length 1329: HTTP
17:47:21.109146 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [.], ack 79, win 908, length 0
17:47:21.109147 IP 163.177.151.110.80 > 192.168.31.126.61980: Flags [F.], seq 2782, ack 79, win 908, length 0
17:47:21.109360 IP 192.168.31.126.61980 > 163.177.151.110.80: Flags [.], ack 2783, win 4096, length 0

逐行解析：

  1. 第一行客户端向百度服务端请求断开连接。[F]表示FIN字段的TCP数据包。（客户端此时的状态为FIN_WAIT_1，服务端此时状态还是ESTABLISHED）
  2. 第二行百度服务端表示接受到了客户端断开连接请求，此时百度服务端还有数据要发送，因此继续发送数据。(此时客户端状态还是FIN_WAIT_1，服务端状态是CLOSE_WAIT)
  3. 第三行客户端告诉百度服务端已经接受到数据了。（此时客户端状态是FIN_WAIT_2,服务端状态是CLOSE_WAIT）
  4. 第四行百度服务端发送[F.]数据包，请求和客户端断开连接。(此时客户端状态是TIME_WAIT,服务端状态是LAST_ACK)
  5. 第五行客户端向百度响应，告诉接受到了百度的断开连接请求。(此时客户端状态还是TIME_WAIT，服务端状态已经是CLOSED)

6. TCP参数优化

针对TCP参数优化，这篇TCP参数调优大全文章已经讲得非常全面了，但是在生产环境，我发现公司只优化了部分参数。本节通过我对TCP参数优化的思考，加深对TCP的理解。

针对每个阶段所有可以优化的参数，我总结了如下图：

6.1 三次握手参数优化

1. 客户端第一次握手重试次数优化

当客户端发送了SYN握手请求，如果一直没有收到服务端的SYN+ACK响应。那么客户端会根据tcp_syn_retries参数，默认重发5次SYN握手请求。请求间隔分别是：1s、2s、4s、8s、16s、32s，共63s。我们生产环境设置次数为2，即超时时间为3s：

2. 服务端第二次握手重试次数优化

当服务端发送了SYN+ACK握手请求，如果一直没有收到客户端ACK响应。那么服务端会根据tcp_synack_retries参数设置超时重发次数。我们生产环境设置次数为2，即超时时间为3s：

3. 服务端优化半连接队列长度

半连接队列用于存放第一次握手的客户端信息，当三次握手完成，才会将客户端信息从半连接队列挪到全连接队列。半连接队列的大小决定能接受多少个tcp客户端请求。
半连接队列的大小与三个值有关：

  1. 用户层 listen 传入的backlog
  2. 系统变量 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog，默认值为 128
  3. 系统变量 net.core.somaxconn，默认值为 128

半连接队列长度计算逻辑：

  1. 如果用户传入的 backlog 值大于系统变量 net.core.somaxconn 的值，用户设置的 backlog 不会生效，使用系统变量值作为用户层backlog，默认为 128。
  2. 在 nr_table_entries(用户层backlog) 与 sysctl_max_syn_backlog 两者中的较小值，赋值给 nr_table_entries。
  3. 在 nr_table_entries 和 8 取较大值(即半连接队列最小是8)，赋值给 nr_table_entries。
  4. nr_table_entries + 1 向上取求最接近的最大 2 的指数次幂。
  5. 通过 for 循环找不大于 nr_table_entries 最接近的 2 的对数值。

不同参数下半连接大小：

我们生产环境参数如下：

4. 服务端优化半连接队列爆满的情况

当半连接队列爆满，默认请求下新连接请求被丢弃。但是开启 syncookies 功能就可以在不使用 SYN 半连接队列的情况下成功建立连接。

syncookies 的工作原理：
服务器根据当前状态计算出一个值，放在己方发出的 SYN+ACK 报文中发出，当客户端返回 ACK 报文时，取出该值验证，如果合法，就认为连接建立成功，如下图所示。

syncookies 参数主要有以下三个值：

  • 0 值，表示关闭该功能；
  • 1 值，表示仅当 SYN 半连接队列放不下时，再启用它；
  • 2 值，表示无条件开启功能；

我们生产环境设置如下：

5. 服务端优化全连接队列长度

全连接队列的大小是 listen 传入的 backlog 和 somaxconn 中的较小值。我们生产环境设置如下：

因此一个监听的socket最多只能维护65535个连接。

6. 服务端优化全连接队列爆满情况

全连接队列中的连接是等待用户程序接受的连接。全连接队列其实就是SOCKET在LISTEN状态的RECV-Q和SEND-Q。RECV-Q表示队列实际大小，SEND-Q表示队列最大大小。

当全连接队列爆满时，可以设置tcp_abort_on_overflow参数。tcp_abort_on_overflow 共有两个值分别是 0 和 1，其分别表示：

  • 0 ：如果 accept 队列满了，那么 server 扔掉 client 发过来的 ack。当有突发流量时，建议设置为0。
  • 1 ：如果 accept 队列满了，server 发送一个 RST 包给 client，表示废掉这个握手过程和这个连接。当有突发流量时，RST回复会占用带宽，属于是雪上加霜。

实际生产环境设置如下：

6.2 数据传输优化

1. 增大发送/接受方的buffer和cache窗口上限

TCP默认窗口大小为16位：

在 TCP 选项字段定义了窗口扩大因子，用于扩大TCP通告窗口，使 TCP 的窗口大小从 2 个字节（16 位） 扩大为 30 位，所以此时窗口的最大值可以达到 1GB（2^30）。我们生产环境开启了该参数：

2. 调节发送方的buffer范围
我们生产环境参数值如下：

  • 第一个数值是动态范围的最小值，10240 byte = 1M；
  • 第二个数值是初始默认值，87380 byte ≈ 86K；
  • 第三个数值是动态范围的最大值，16777216byte = 16M；

3. 调节接受方的cache范围

生产环境中和发送方的buffer范围一致：

4. 接收缓冲区可以根据系统空闲内存的大小来调节接收窗口

如果系统的空闲内存很多，就可以自动把缓冲区增大一些；如果系统的内存很紧张，就会减少缓冲区。发送缓冲区的调节功能是自动开启的，而接收缓冲区则需要配置 tcp_moderate_rcvbuf 为 1 来开启调节功能：

3. 调节tcp内存范围

缓冲区占用的内存可以设置：

上面三个数字单位不是字节，而是「页面大小」，1 页表示 4KB，它们分别表示：

  • 当 TCP 内存小于第 1 个值时，不需要进行自动调节；
  • 在第 1 和第 2 个值之间时，内核开始调节接收缓冲区的大小；
  • 大于第 3 个值时，内核不再为 TCP 分配新内存，此时新连接是无法建立的；

6.3 四次挥手优化

1. 发起方优化FIN_WAIT_1阶段重试次数

为了防止发起方没有收到FIN的确认包，使用tcp_orphan_retries参数可以控制，默认为0，0在内核代码中表示重试8次。我们生产环境设置就是默认值：

2. 设置孤儿连接最大数量

安全关闭连接的方式必须通过四次挥手。完全断开不仅指无法传输数据，而且也不能发送数据。此时，调用了 close 函数的一方的连接叫做「孤儿连接」，如果你用 netstat -p命令，会发现连接对应的进程名为空。

如果遇到恶意攻击，FIN 报文根本无法发送出去，这由 TCP 两个特性导致的：

  • 首先，TCP 必须保证报文是有序发送的，FIN 报文也不例外，当发送缓冲区还有数据没有发送时，FIN 报文也不能提前发送。
  • 其次，TCP 有流量控制功能，当接收方接收窗口为 0 时，发送方就不能再发送数据。所以，当攻击者下载大文件时，就可以通过接收窗口设为 0 ，这就会使得 FIN 报文都无法发送出去，那么连接会一直处于 FIN_WAIT2 状态。

解决这种问题的方法，是调整 tcp_max_orphans 参数，它定义了「孤儿连接」的最大数量：

3. 发起方优化FIN_WAIT_2阶段等待时间

如果被动方一致卡在CLOSE_WAIT，那么发起方会一直处于FIN_WAIT_2，可以通过tcp_fin_timeout参数控制。我们生产环境参数值如下：

4. 发起方TIME_WAIT数量优化

当TIME_WAIT数量超过tcp_max_tw_buckets时，直接关闭后续进入TIME_WAIT连接。我们生产环境参数值如下：

5. 发起方重用TIME_WAIT连接

有一种方式可以在建立新连接时，复用处于 TIME_WAIT 状态的连接，那就是打开 tcp_tw_reuse 参数。我们生产环境参数值如下：

但是需要注意，该参数是只用于客户端（建立连接的发起方），因为是在调用 connect() 时起作用的，而对于服务端（被动连接方）是没有用的。

6. 被动方大量CLOSE_WAIT状态

当netstat命令发现大量 CLOSE_WAIT 状态。就需要排查应用程序，因为可能因为应用程序出现了Bug，read 函数返回 0 时，没有调用 close 函数。

以上是关于深入理解Socket下的TCP/IP通信原理及参数优化的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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