TCP的SYN队列和Accept队列

Posted 2021-03-07 linguoguo

首先我们必须明白，处于“LISTENING”状态的TCP socket，有两个独立的队列：

• SYN队列（SYN Queue）
• Accept队列（Accept Queue）

这两个术语有时也被称为“reqsk_queue”，“ACK backlog”，“listen backlog”，甚至“TCP backlog”，但是这篇文章中我们使用上面两个术语以免造成混淆。

SYN队列

SYN队列存储了收到SYN包的连接（对应内核代码的结构体：struct inet_request_sock）。它的职责是回复SYN+ACK包，并且在没有收到ACK包时重传，直到超时。在Linux下，重传的次数为：

1 $ sysctl net.ipv4.tcp_synack_retries
2 net.ipv4.tcp_synack_retries = 5

文档中对tcp_synack_retries的描述如下：

1 tcp_synack_retries - int整型
2 
3     对于一个被动TCP连接，重传SYNACKs的次数。该值不能超过255。
4     默认值为5，如果初始RTO是1秒，那么对应的最后一次重传是31秒。
5     对应的最后一次超时是63秒之后。

发送完SYN+ACK之后，SYN队列等待从客户端发出的ACK包（也即三次握手的最后一个包）。当收到ACK包时，首先找到对应的SYN队列，再在对应的SYN队列中检查相关的数据看是否匹配，如果匹配，内核将该连接相关的数据从SYN队列中移除，创建一个完整的连接（对应内核代码的结构体：struct inet_sock），并将这个连接加入Accept队列。

Accept队列

Accept队列中存放的是已建立好的连接，也即等待被上层应用程序取走的连接。当进程调用accept()，这个socket从队列中取出，传递给上层应用程序。

这就是Linux处理SYN包的一个简单描述。顺便一提，当socket开启了TCP_DEFER_ACCEPT和TCP_FASTOPEN时，工作方式将会有细微不同，本文不做介绍。

队列大小限制

应用程序通过调用系统调用listen(2)，传入backlog参数，来设置SYN队列和Accept队列的最大大小。比如下面这样，将SYN队列和Accept队列的最大大小同时设置为1024：

1 listen(sfd, 1024)

注意，在4.3版本之前的内核，SYN队列的大小是用另一种方式计算。

SYN队列的最大大小以前是用net.ipv4.tcp_max_syn_backlog来配置，但是现在已经不再使用了。现在用net.core.somaxconn来同时表示SYN队列和Accept队列的最大大小。在我们的服务器上，我们将它设置为16k：

1 $ sysctl net.core.somaxconn
2 net.core.somaxconn = 16384

队列设置为多大合适

知道了上面这些信息后，你可能会问，队列设置为多大合适？队列设置为多大合适

答案是：看情况。对于大多数的TCP服务来说，这并不太重要。比如，Go语言1.11版本之前，并没有提供设置队列大小的方法。

尽管如此，也存在一些合理的原因，需要增大队列的大小：

• 当建立连接的请求速度确实很大时，即使是对于一个高性能的服务来说，SYN队列也可能需要设置的大一些。
• SYN队列的大小，换言之就是等待ACK包的连接数。也即与客户端的平均往返时间越大，堆积在SYN队列中的连接就越多。对于那些大部分客户端都距离服务器很远的场景，比如说往返时间几百毫秒以上，可以将队列大小设置的大一些。
• TCP_DEFER_ACCEPT选项如果打开了，会导致socket在SYN-RECV状态下维持更长的时间，也即增大了处于SYN队列中的时间。

但是，将backlog设置的过大也会带来不好的影响：

• SYN队列中的每一个槽位都需要占用一些内存。当遇到SYN Flood攻击时，我们没有必要为这些发起攻击的包浪费资源。SYN队列中的inet_request_sock结构体，在4.14内核下，每个将占用256字节的内存。

linux下，如果想查看SYN队列的当前状态，我们可以使用ss命令来查询SYN-RECV状态的socket。比如如下执行结果，表示80端口的SYN队列中当前有119个元素，443端口则为78。

1 $ ss -n state syn-recv sport = :80 | wc -l
2 119
3 $ ss -n state syn-recv sport = :443 | wc -l
4 78

假如程序调用accept()不够快？还可以通过我们的SystemTap脚本来观察这个数据：resq.stp

如果程序调用accept()不够快会发生什么呢？

• 后续收到的SYN包，不会被SYN队列处理
• 后续收到的（用于建立连接的）ACK包，不会被SYN队列处理
• TcpExtListenOverflows / LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS计数增加
• TcpExtListenDrops / LINUX_MIB_LISTENDROPS计数增加

发生这种情况时，我们只能寄希望于程序的处理性能稍后能恢复正常，客户端重新发送被服务端丢弃的包。

内核的这种表现对于大部分服务来说是可接受的。顺便一提，可以通过调整net.ipv4.tcp_abort_on_overflow这个全局参数来修改这种表现，但是最好还是不要改这个参数。

可以通过查看nstat的计数来观察Accept队列溢出的状态：

1 $ nstat -az TcpExtListenDrops
2 TcpExtListenDrops     49199     0.0

但是这是一个全局的计数。观察起来不够直观，比如有时我们观察到它在增长，但是所有的服务程序看起来都是正常的。此时我们可以使用ss命令来观察单个监听端口的Accept队列大小：

1 $ ss -plnt sport = :6443|cat
2 State   Recv-Q Send-Q  Local Address:Port  Peer Address:Port
3 LISTEN  0      1024                *:6443             *:*

Recv-Q这一列显示的是处于Accept队列中的socket数量，Send-Q显示的是队列的最大大小。在上面的例子中，我们发现并没有未被程序accept()的socket，但是我们依然发现ListenDrops计数在增长。

这是因为我们的程序只是周期性的短暂卡住不处理新的连接，而非永久性的不处理，过段时间程序又恢复了正常。这种情况下，用ss命令比较难观察这种现象，因此我们写了一个SystemTap脚本，它会hook进内核，把被丢弃的SYN包打印出来：

$ sudo stap -v acceptq.stp
time (us)        acceptq qmax  local addr    remote_addr
1495634198449075  1025   1024  0.0.0.0:6443  10.0.1.92:28585
1495634198449253  1025   1024  0.0.0.0:6443  10.0.1.92:50500
1495634198450062  1025   1024  0.0.0.0:6443  10.0.1.92:65434
...

通过上面的操作，可以观察到哪些SYN包被ListenDrops影响了。从而我们也就可以知道哪些程序在丢失连接。