TIME_WAIT 发生的场景

这要从 TCP 的四次挥手:

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TCP 连接终止时，主机 1 先发送 FIN 报文，主机 2 进入 CLOSE_WAIT 状态，并发送一个 ACK 应答，同时，主机 2 通过 read 调用获得 EOF，并将此结果通知应用程序进行主动关闭操作，发送 FIN 报文。主机 1 在接收到 FIN 报文后发送 ACK 应答，此时主机 1 进入 TIME_WAIT 状态。

主机 1 在 TIME_WAIT 停留持续时间是固定的，是最长分节生命期 MSL（maximum segment lifetime）的两倍，一般称之为 2MSL。和大多数 BSD 派生的系统一样，Linux 系统里有一个硬编码的字段，名称为TCP_TIMEWAIT_LEN，其值为 60 秒。也就是说，Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒。

  1. #define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-        WAIT state, about 60 seconds  */

TIME_WAIT 的作用

  • 首先，这样做是为了确保最后的 ACK 能让被动关闭方接收，从而帮助其正常关闭。

如果主机1发送的 ack 丢失, 那么主机2会重传 fin, 一来一回就是 2MSL.

  • 第二个理由和连接“化身”和报文迷走有关系，为了让旧连接的重复分节在网络中自然消失。

重点:

  • 2MSL 的时间是从主机 1 接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的
  • 如果在 TIME_WAIT 时间内，因为主机 1 的 ACK 没有传输到主机 2，主机 1 又接收到了主机 2 重发的 FIN 报文，那么 2MSL 时间将重新计时
    • 道理很简单，因为 2MSL 的时间，目的是为了让旧连接的所有报文都能自然消亡，现在主机 1 重新发送了 ACK 报文，自然需要重新计时，以便防止这个 ACK 报文对新可能的连接化身造成干扰。

TIME_WAIT 的危害

  • 第一是内存资源占用，这个目前看来不是太严重，基本可以忽略。
  • 第二是对端口资源的占用，一个 TCP 连接至少消耗一个本地端口。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net.ipv4.ip_local_port_range指定，如果 TIME_WAIT 状态过多，会导致无法创建新连接。

如何优化 TIME_WAIT？

net.ipv4.tcp_max_tw_buckets

一个暴力的方法是通过 sysctl 命令，将系统值调小。这个值默认为 18000，当系统中处于 TIME_WAIT 的连接一旦超过这个值时，系统就会将所有的 TIME_WAIT 连接状态重置，并且只打印出警告信息。这个方法过于暴力，而且治标不治本，带来的问题远比解决的问题多，不推荐使用。

调低 TCP_TIMEWAIT_LEN，重新编译系统

这个方法是一个不错的方法，缺点是需要“一点”内核方面的知识，能够重新编译内核。我想这个不是大多数人能接受的方式。

SO_LINGER 的设置

英文单词“linger”的意思为停留，我们可以通过设置套接字选项，来设置调用 close 或者 shutdown 关闭连接时的行为。

  1. int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
  1. struct linger {
  2. 　int　 l_onoff;　　　　/* 0=off, nonzero=on */
  3. 　int　 l_linger;　　　　/* linger time, POSIX specifies units as seconds */
  4. }

设置 linger 参数有几种可能：

  • 如果l_onoff为 0，那么关闭本选项。l_linger的值被忽略，这对应了默认行为，close 或 shutdown 立即返回。如果在套接字发送缓冲区中有数据残留，系统会将试着把这些数据发送出去。
  • 如果l_onoff为非 0， 且l_linger值也为 0，那么调用 close 后，会立该发送一个 RST 标志给对端，该 TCP 连接将跳过四次挥手，也就跳过了 TIME_WAIT 状态，直接关闭。这种关闭的方式称为“强行关闭”。 在这种情况下，排队数据不会被发送，被动关闭方也不知道对端已经彻底断开。只有当被动关闭方正阻塞在recv()调用上时，接受到 RST 时，会立刻得到一个“connet reset by peer”的异常。
  • 如果l_onoff为非 0， 且l_linger的值也非 0，那么调用 close 后，调用 close 的线程就将阻塞，直到数据被发送出去，或者设置的l_linger计时时间到。

net.ipv4.tcp_tw_reuse：更安全的设置

Linux 系统对于net.ipv4.tcp_tw_reuse的解释如下:

Allow to reuse TIME-WAIT sockets for new connections when it is safe from protocol viewpoint. Default value is 0.It should not be changed without advice/request of technical experts.

这段话的大意是从协议角度理解如果是安全可控的，可以复用处于 TIME_WAIT 的套接字为新的连接所用。

那么什么是协议角度理解的安全可控呢？主要有两点：

  • 只适用于连接发起方（C/S 模型中的客户端）；
  • 对应的 TIME_WAIT 状态的连接创建时间超过 1 秒才可以被复用。

使用这个选项，还有一个前提，需要打开对 TCP 时间戳的支持，即net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）。

要知道，TCP 协议也在与时俱进，RFC 1323 中实现了 TCP 拓展规范，以便保证 TCP 的高可用，并引入了新的 TCP 选项，两个 4 字节的时间戳字段，用于记录 TCP 发送方的当前时间戳和从对端接收到的最新时间戳。由于引入了时间戳，我们在前面提到的 2MSL 问题就不复存在了，因为重复的数据包会因为时间戳过期被自然丢弃。
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总结

  • TIME_WAIT 的引入是为了让 TCP 报文得以自然消失，同时为了让被动关闭方能够正常关闭；
  • 不要试图使用 SO_LINGER 设置套接字选项，跳过 TIME_WAIT；
  • 现代 Linux 系统引入了更安全可控的方案，可以帮助我们尽可能地复用 TIME_WAIT 状态的连接。