浅谈tcp_tw_reuse

Posted 2022-01-27 果子哥丶

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了浅谈tcp_tw_reuse相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

浅谈tcp_tw_reuse

什么是TIME_WAIT状态？
为什么要设计TIME_WAIT状态？
- 原因一：防止历史连接中的数据，被后面相同四元组的连接错误的接收
- 原因二：保证「被动关闭连接」的一方，能被正确的关闭
tcp_tw_reuse是什么？
为什么tcp_tw_reuse默认是关闭的
总结：
SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？
- 坑爹的 tcp_tw_recycle
accpet 队列满了
TCP 半连接队列和全连接队列满了会发生什么？
- 什么是 TCP 半连接队列和全连接队列？

既然打开 net.ipv4.tcp_tw_reuse 参数可以快速复用处于 TIME_WAIT 状态的 TCP 连接，那为什么 Linux 内核默认是关闭状态呢？
tcp_tw_reuse 的作用是让客户端很快的复用 time_wait 的端口，相当于跳过了这个状态，所以默认关闭

【如果 TIME_WAIT 状态持续时间过短或者没有，会有什么问题？】
因为开启 tcp_tw_reuse 参数可以快速复用处于 TIME_WAIT 状态的 TCP 连接时，相当于缩短了 TIME_WAIT 状态的持续时间。
使用 tcp_tw_reuse 快速复用处于 TIME_WAIT 状态的 TCP 连接时，是需要保证 net.ipv4.tcp_timestamps 参数是开启的（默认是开启的），而 tcp_timestamps 参数可以避免旧连接的延迟报文，这不是解决了没有 TIME_WAIT 状态时的问题了吗？

什么是TIME_WAIT状态？

TCP四次挥手过程，如下图：

客户端打算关闭连接，此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文，也即 FIN 报文，之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
服务端收到该报文后，就向客户端发送 ACK 应答报文，接着服务端进入 CLOSED_WAIT 状态。
客户端收到服务端的 ACK 应答报文后，之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
等待服务端处理完数据后，也向客户端发送 FIN 报文，之后服务端进入 LAST_ACK 状态。
客户端收到服务端的 FIN 报文后，回一个 ACK 应答报文，之后进入 TIME_WAIT 状态
服务器收到了 ACK 应答报文后，就进入了 CLOSE 状态，至此服务端已经完成连接的关闭。
客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，至此客户端也完成连接的关闭。

你可以看到，两个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK，因此通常被称为四次挥手。

这里一点需要注意是：主动关闭连接的，才有 TIME_WAIT 状态。

可以看到，TIME_WAIT 是「主动关闭方」断开连接时的最后一个状态，该状态会持续 2MSL(Maximum Segment Lifetime) 时长，之后进入CLOSED 状态。

MSL 指的是 TCP 协议中任何报文在网络上最大的生存时间，任何超过这个时间的数据都将被丢弃。虽然 RFC 793 规定 MSL 为 2 分钟，但是在实际实现的时候会有所不同，比如 Linux 默认为 30 秒，那么 2MSL 就是 60 秒。

MSL 是由网络层的 IP 包中的 TTL 来保证的，TTL 是 IP 头部的一个字段，用于设置一个数据报可经过的路由器的数量上限。报文每经过一次路由器的转发，IP 头部的 TTL 字段就会减 1，减到 0 时报文就被丢弃。

MSL 与 TTL 的区别：MSL 的单位是时间，而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间，以确保报文已被自然消亡。

TTL 的值一般是 64，Linux 将 MSL 设置为 30 秒，意味着 Linux 认为数据报文经过 64 个路由器的时间不会超过 30 秒，如果超过了，就认为报文已经消失在网络中了。

为什么要设计TIME_WAIT状态？

设计 TIME_WAIT 状态，主要有两个原因：

防止历史连接中的数据，被后面相同四元组的连接错误的接收；
保证「被动关闭连接」的一方，能被正确的关闭；

原因一：防止历史连接中的数据，被后面相同四元组的连接错误的接收

为了能更好的理解这个原因，我们先来了解序列号（SEQ）和初始序列号（ISN）。

序列号，是 TCP 一个头部字段，标识了 TCP 发送端到 TCP 接收端的数据流的一个字节，因为 TCP 是面向字节流的可靠协议，为了保证消息的顺序性和可靠性，TCP 为每个传输方向上的每个字节都赋予了一个编号，以便于传输成功后确认、丢失后重传以及在接收端保证不会乱序。序列号是一个 32 位的无符号数，因此在到达 4G 之后再循环回到 0。
初始序列号，在 TCP 建立连接的时候，客户端和服务端都会各自生成一个初始序列号，它是基于时钟生成的一个随机数，来保证每个连接都拥有不同的初始序列号。初始化序列号可被视为一个 32 位的计数器，该计数器的数值每 4 微秒加 1，循环一次需要 4.55 小时。

通过前面我们知道，序列号和初始化序列号并不是无限递增的，会发生回绕为初始值的情况，这意味着无法根据序列号来判断新老数据。

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短，被延迟的数据包抵达后会发生什么呢？

服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报文，被网络延迟了。
接着，服务端以相同的四元组重新打开了新连接，前面被延迟的 SEQ = 301 这时抵达了客户端，而且该数据报文的序列号刚好在客户端接收窗口内，因此客户端会正常接收这个数据报文，但是这个数据报文是上一个连接残留下来的，这样就产生数据错乱等严重的问题。

为了防止历史连接中的数据，被后面相同四元组的连接错误的接收，因此 TCP 设计了 TIME_WAIT 状态，状态会持续 2MSL 时长，这个时间足以让两个方向上的数据包都被丢弃，使得原来连接的数据包在网络中都自然消失，再出现的数据包一定都是新建立连接所产生的。

原因二：保证「被动关闭连接」的一方，能被正确的关闭

如果客户端（主动关闭方）最后一次 ACK 报文（第四次挥手）在网络中丢失了，那么按照 TCP 可靠性原则，服务端（被动关闭方）会重发 FIN 报文。

假设客户端没有 TIME_WAIT 状态，而是在发完最后一次回 ACK 报文就直接进入 CLOSED 状态，如果该 ACK 报文丢失了，服务端则重传的 FIN 报文，而这时客户端已经进入到关闭状态了，在收到服务端重传的 FIN 报文后，就会回 RST 报文。

服务端收到这个 RST 并将其解释为一个错误（Connection reset by peer），这对于一个可靠的协议来说不是一个优雅的终止方式。

为了防止这种情况出现，客户端必须等待足够长的时间确保对端收到 ACK，如果对端没有收到 ACK，那么就会触发 TCP 重传机制，服务端会重新发送一个 FIN，这样一去一来刚好两个 MSL 的时间。

但是你可能会说重新发送的 ACK 还是有可能丢失啊，没错，但 TCP 已经等待了那么长的时间了，已经算仁至义尽了。

tcp_tw_reuse是什么？

在 Linux 操作系统下，TIME_WAIT 状态的持续时间是 60 秒，这意味着这 60 秒内，客户端一直会占用着这个端口。要知道，端口资源也是有限的，一般可以开启的端口为 32768~61000 ，也可以通过如下参数设置指定范围：

net.ipv4.ip_local_port_range

那么，如果如果主动关闭连接方的 TIME_WAIT 状态过多，占满了所有端口资源，则会导致无法创建新连接。

不过，Linux 操作系统提供了两个可以系统参数来快速回收处于 TIME_WAIT 状态的连接，这两个参数都是默认关闭的：

net.ipv4.tcp_tw_reuse，如果开启该选项的话，客户端（连接发起方）在调用 connect() 函数时，内核会随机找一个 TIME_WAIT 状态超过 1 秒的连接给新的连接复用，所以该选项只适用于连接发起方。
net.ipv4.tcp_tw_recycle，如果开启该选项的话，允许处于 TIME_WAIT 状态的连接被快速回收，该参数在 NAT 的网络下是不安全的！ 详细见这篇文章介绍：字节面试：SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？

要使得上面这两个参数生效，有一个前提条件，就是要打开 TCP 时间戳，即 net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）。

开启了 tcp_timestamps 参数，TCP 头部就会使用时间戳选项，它有两个好处，一个是便于精确计算 RTT ，另一个是能防止序列号回绕（PAWS），我们先来介绍这个功能。

序列号是一个 32 位的无符号整型，上限值是 4GB，超过 4GB 后就需要将序列号回绕进行重用。这在以前网速慢的年代不会造成什么问题，但在一个速度足够快的网络中传输大量数据时，序列号的回绕时间就会变短。如果序列号回绕的时间极短，我们就会再次面临之前延迟的报文抵达后序列号依然有效的问题。

为了解决这个问题，就需要有 TCP 时间戳。

试看下面的示例，假设 TCP 的发送窗口是 1 GB，并且使用了时间戳选项，发送方会为每个 TCP 报文分配时间戳数值，我们假设每个报文时间加 1，然后使用这个连接传输一个 6GB 大小的数据流。

为什么tcp_tw_reuse默认是关闭的

第一个问题
我们知道开启 tcp_tw_reuse 的同时，也需要开启 tcp_timestamps，意味着可以用时间戳的方式有效的判断回绕序列号的历史报文。

但是在看我看了防回绕序列号算法的源码后，发现对于 RST 报文的时间戳即使过期了，只要 RST 报文的序列号在对方的接收窗口内，也是能被接受的。

客户端向一个还没有被服务端监听的端口发起了 HTTP 请求，接着服务端就会回 RST 报文给对方，很可惜的是 RST 报文被网络阻塞了。
由于客户端迟迟没有收到 TCP 第二次握手，于是重发了 SYN 包，与此同时服务端已经开启了服务，监听了对应的端口。于是接下来，客户端和服务端就进行了 TCP 三次握手、数据传输（HTTP应答-响应）、四次挥手。
因为客户端开启了 tcp_tw_reuse，于是快速复用 TIME_WAIT 状态的端口，又与服务端建立了一个与刚才相同的四元组的连接。
接着，前面被网络延迟 RST 报文这时抵达了客户端，而且 RST 报文的序列号在客户端的接收窗口内，由于防回绕序列号算法不会防止过期的 RST，所以 RST 报文会被客户端接受了，于是客户端的连接就断开了。

上面这个场景就是开启 tcp_tw_reuse 风险，因为快速复用 TIME_WAIT 状态的端口，导致新连接可能被回绕序列号的 RST 报文断开了，而如果不跳过 TIME_WAIT 状态，而是停留 2MSL 时长，那么这个 RST 报文就不会出现下一个新的连接。

第二个问题
开启 tcp_tw_reuse 来快速复用 TIME_WAIT 状态的连接，如果第四次挥手的 ACK 报文丢失了，有可能会导致被动关闭连接的一方不能被正常的关闭，如下图：

总结：

tcp_tw_reuse 的作用是让客户端快速复用处于 TIME_WAIT 状态的端口，相当于跳过了 TIME_WAIT 状态，这可能会出现这样的两个问题：

历史 RST 报文可能会终止后面相同四元组的连接，因为 PAWS 检查到即使 RST 是过期的，也不会丢弃。
如果第四次挥手的 ACK 报文丢失了，有可能被动关闭连接的一方不能被正常的关闭;

虽然 TIME_WAIT 状态持续的时间是有一点长，显得很不友好，但是它被设计来就是用来避免发生乱七八糟的事情。

SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？

客户端向服务端发起了连接，但是连接并没有建立起来，通过抓包分析发现，服务端是收到 SYN 报文了，但是并没有回复 SYN+ACK（TCP 第二次握手），说明 SYN 报文被服务端忽略了，然后客户端就一直在超时重传 SYN 报文，直到达到最大的重传次数。

SYN 报文被丢弃的两种场景：

开启 tcp_tw_recycle 参数，并且在 NAT 环境下，造成 SYN 报文被丢弃
accpet 队列满了，造成 SYN 报文被丢弃

坑爹的 tcp_tw_recycle

TCP 四次挥手过程中，主动断开连接方会有一个 TIME_WAIT 的状态，这个状态会持续 2 MSL 后才会转变为 CLOSED 状态。

net.ipv4.ip_local_port_range

那么，如果主动断开连接方的 TIME_WAIT 状态过多，占满了所有端口资源，则会导致无法创建新连接。

但是 TIME_WAIT 状态也不是摆设作用，它的作用有两个：

防止具有相同四元组的旧数据包被收到，也就是防止历史连接中的数据，被后面的连接接受，否则就会导致后面的连接收到一个无效的数据，
保证「被动关闭连接」的一方能被正确的关闭，即保证最后的 ACK 能让被动关闭方接收，从而帮助其正常关闭;

不过，Linux 操作系统提供了两个可以系统参数来快速回收处于 TIME_WAIT 状态的连接，这两个参数都是默认关闭的：

net.ipv4.tcp_tw_reuse，如果开启该选项的话，客户端（连接发起方）在调用 connect() 函数时，内核会随机找一个 time_wait 状态超过 1 秒的连接给新的连接复用，所以该选项只适用于连接发起方。
net.ipv4.tcp_tw_recycle，如果开启该选项的话，允许处于 TIME_WAIT 状态的连接被快速回收；

要使得这两个选项生效，有一个前提条件，就是要打开 TCP 时间戳，即 net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）。

但是，tcp_tw_recycle 在使用了 NAT 的网络下是不安全的！
为啥？
对于服务器来说，如果同时开启了 recycle 和 timestamps 选项，则会开启一种称之为「 per-host 的 PAWS 机制」。

首先给大家说说什么是 PAWS 机制？

tcp_timestamps 选项开启之后， PAWS 机制会自动开启，它的作用是防止 TCP 包中的序列号发生绕回。

正常来说每个 TCP 包都会有自己唯一的 SEQ，出现 TCP 数据包重传的时候会复用 SEQ 号，这样接收方能通过 SEQ 号来判断数据包的唯一性，也能在重复收到某个数据包的时候判断数据是不是重传的。但是 TCP 这个 SEQ 号是有限的，一共 32 bit，SEQ 开始是递增，溢出之后从 0 开始再次依次递增。

所以当 SEQ 号出现溢出后单纯通过 SEQ 号无法标识数据包的唯一性，某个数据包延迟或因重发而延迟时可能导致连接传递的数据被破坏，比如：

上图 A 数据包出现了重传，并在 SEQ 号耗尽再次从 A 递增时，第一次发的 A 数据包延迟到达了 Server，这种情况下如果没有别的机制来保证，Server 会认为延迟到达的 A 数据包是正确的而接收，反而是将正常的第三次发的 SEQ 为 A 的数据包丢弃，造成数据传输错误。

PAWS 就是为了避免这个问题而产生的，在开启 tcp_timestamps 选项情况下，一台机器发的所有 TCP 包都会带上发送时的时间戳，PAWS 要求连接双方维护最近一次收到的数据包的时间戳（Recent TSval），每收到一个新数据包都会读取数据包中的时间戳值跟 Recent TSval 值做比较，如果发现收到的数据包中时间戳不是递增的，则表示该数据包是过期的，就会直接丢弃这个数据包。

对于上面图中的例子有了 PAWS 机制就能做到在收到 Delay 到达的 A 号数据包时，识别出它是个过期的数据包而将其丢掉。

那什么是 per-host 的 PAWS 机制呢？

前面我提到，开启了 recycle 和 timestamps 选项，就会开启一种叫 per-host 的 PAWS 机制。

per-host 是对「对端 IP 做 PAWS 检查」，而非对「IP + 端口」四元组做 PAWS 检查。

但是如果客户端网络环境是用了 NAT 网关，那么客户端环境的每一台机器通过 NAT 网关后，都会是相同的 IP 地址，在服务端看来，就好像只是在跟一个客户端打交道一样，无法区分出来。

Per-host PAWS 机制利用TCP option里的 timestamp 字段的增长来判断串扰数据，而 timestamp 是根据客户端各自的 CPU tick 得出的值。

当客户端 A 通过 NAT 网关和服务器建立 TCP 连接，然后服务器主动关闭并且快速回收 TIME-WAIT 状态的连接后，客户端 B 也通过 NAT 网关和服务器建立 TCP 连接，注意客户端 A 和客户端 B 因为经过相同的 NAT 网关，所以是用相同的 IP 地址与服务端建立 TCP 连接，如果客户端 B 的 timestamp 比客户端 A 的 timestamp 小，那么由于服务端的 per-host 的 PAWS 机制的作用，服务端就会丢弃客户端主机 B 发来的 SYN 包。

因此，tcp_tw_recycle 在使用了 NAT 的网络下是存在问题的，如果它是对 TCP 四元组做 PAWS 检查，而不是对「相同的 IP 做 PAWS 检查」，那么就不会存在这个问题了。

网上很多博客都说开启 tcp_tw_recycle 参数来优化 TCP，我信你个鬼，糟老头坏的很！

tcp_tw_recycle 在 Linux 4.12 版本后，直接取消了这一参数。

accpet 队列满了

在 TCP 三次握手的时候，Linux 内核会维护两个队列，分别是：

半连接队列，也称 SYN 队列；
全连接队列，也称 accepet 队列；

服务端收到客户端发起的 SYN 请求后，内核会把该连接存储到半连接队列，并向客户端响应 SYN+ACK，接着客户端会返回 ACK，服务端收到第三次握手的 ACK 后，内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的完全的连接，并将其添加到 accept 队列，等待进程调用 accept 函数时把连接取出来。