TCP连接及连接池管理

Posted 2021-04-23 JS魔法屋

1、TCP介绍

2、TCPserver和TCP client如何建立连接

3、Socket连接池管理

一、TCP介绍

1、tcp三次握手建立连接, 四次挥手断开连接。

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

在一次 TCP 三次握手的过程中，客户端与服务端会分别提供一个套接字来形成一个链接。之后客户端与服务端通过这个链接来互相发送数据。

tcp四次挥手：

第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我“同意”你的关闭请求；

第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST_ACK状态；

第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

 

为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的Socket可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

 

TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态会产生什么问题

通信双方建立TCP连接后，主动关闭连接的一方就会进入TIME_WAIT状态，TIME_WAIT状态维持时间是两个MSL时间长度【MSL为最大报文段生存时间】，也就是在1-4分钟，Windows操作系统就是4分钟。进入TIME_WAIT状态的一般情况下是客户端，一个TIME_WAIT状态的连接就占用了一个本地端口。一台机器上端口号数量的上限是65536个，如果在同一台机器上进行压力测试模拟上万的客户请求，并且循环与服务端进行短连接通信，那么这台机器将产生4000个左右的TIME_WAIT Socket，后续的短连接就会产生address already in use : connect的异常，如果使用nginx作为方向代理也需要考虑TIME_WAIT状态，发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接，通过调整内核参数解决。

 

二、TCPserver和TCP client如何建立连接

   基于node.js的Net 模块可以构建一个 TCP 服务，它提供了一些用于底层通信的接口，该模块可以用于创建基于流的 TCP 或 IPC 的服务器（net.createServer()）与客户端（net.createConnection()）。

1、创建 TCP 服务

  可以使用 new net.Server 创建一个 TCP 服务端链接，也可以通过工厂函数 net.createServer() 的方式，createServer() 的内部实现也是内部调用了 Server 构造函数来创建一个 TCP 对象。

TCP 服务器事件：
listening: ，也就是 server.listen();
connection: 新链接建立时触发，也就是每次收到客户端回调，参数 socket 为 net.createServer 实例，也可以写在 net.createServer(function(socket) {}) 方法里
close：当 server 关闭的时候触发（server.close()）。如果有连接存在，直到所有的连接结束才会触发这个事件
error：捕获错误，例如监听一个已经存在的端口就会报 Error: listen EADDRINUSE 错误

TCP 链接事件方法
data: 一端调用 write() 方法发送数据时，另一端会通过 socket.on('data') 事件接收到，可以理解为读取数据
end: 每次 socket 链接会出现一次，例如客户端发送消息之后执行 Ctrl + C 终端，就会收到
error: 监听 socket 的错误信息
close: socket 链接断开

2、TCP客户端

通过net的socket创建一个client，请求上面的tcp服务

3、测试

启动tcp服务，再启动一个客户端，连接成功后，会在服务上打印出当前连接的地址（127.0.0.1:13127）

上述demo中，每次通信都要建立一个连接，而建立一个tcp连接需要三次握手，而且还需要为对象分配系统资源和内存空间。所以创建一个tcp连接可以说是昂贵的，如果要频繁操作的话，不断开启关闭连接不仅对增加客户端io的压力，最重要的是大大增加了 tcp 服务器的压力。

使用长连接的话，可以在一个TCP连接上连续发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发检测包以维持此连接(心跳包)。

短连接：每次请求完成后，断开连接；每次经过建立连接→数据传输→关闭连接；长连接：连接→数据传输→保持连接→数据传输→保持连接→……→关闭连接；

 

三、Socket连接池管理

1、Socket连接池

   Socket连接池就是维护着一定数量Socket长连接的集合。它能自动检测Socket长连接的有效性，剔除无效的连接，补充连接池的长连接的数量。使用连接池最大的一个好处就是减少连接的创建和关闭，增加系统负载能力。

连接池的功能：

1.     长连接资源池的数量配置

2.     连接预热（启动时自动打开n个连接以供使用）

3.     合理分发连接请求

4.     当池中的连接即将耗尽得时候动态产生新的连接

5.     当池中的连接一段时间没有被调用的时候，自动释放连接

6.     自动丢弃已经坏掉的连接

7.     系统关闭的时自动释放所有连接

 

2、基于Nodejs的Socket连接池管理（ generic-pool ）

generic-pool模块是nodejs的一个第三方模块，其作用为提供一个通用的连接池模块，可以通过generic-pool实现对tcp连接池或者mysql、mongodb、redis等数据库连接池的管理。

generic-pool 模块： https://github.com/coopernurse/node-pool

opts 参数：

   fifo: true,             // 是否优先使用老的资源

   priorityRange: 1,        // 优先级

   testOnBorrow: true,       // 是否开启获取验证

   acquireTimeoutMillis: 10 * 1000,    // 获取的超时时间

   autostart: true, // 自动初始化和释放调度启用

   min: 10,  // 连接池保持的长连接最小数量

   max: 0,      // 最大连接池保持的长连接数量

   evictionRunIntervalMillis:0, // 资源释放检验间隔检查设置了下面几个参数才起效果

   numTestsPerEvictionRun: 3,     // 每次释放资源数量

   softIdleTimeoutMillis: -1,  // 可用的超过了最小的min 且空闲时间时间达到释放

   idleTimeoutMillis: 3000   // 强制释放如果一个线程3秒钟内没有被使用过就释放掉

 

demo测试：

1、创建一个连接池，连接池大小设置min：2，max:5，初始启动时会自动创建2个连接 

2、首先发出2次请求，1秒后再发发出4个请求，可以看到，第一次发出的2个请求可以直接用连接池里的2个连接，请求完成后把连接归还给连接池，供后续请求使用；1秒后再发出4个请求，会首先复用之前创建的2个连接，但连接池里面的连接不够用了，此时连接池会再创建2个连接，给另外的两个请求用，此时连接池大小为4。

可 使用 jemeter 分别对比 TCP 短连接和长连接进行并发压测，对比其性能