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10 | 如何提升TCP四次挥手的性能？
你好，我是陶辉。
上一节课，我们介绍了建立连接时的优化方法，这一节课再来看四次挥手关闭连接时，如何优化性能。
close和shutdown函数都可以关闭连接，但这两种方式关闭的连接，不只功能上有差异，控制它们的Linux参数也不相同。close函数会让连接变为孤儿连接，shutdown函数则允许在半关闭的连接上长时间传输数据。TCP之所以具备这个功能，是因为它是全双工协议，但这也造成四次挥手非常复杂。
四次挥手中你可以用netstat命令观察到6种状态。其中，你多半看到过TIME_WAIT状态。网上有许多文章介绍怎样减少TIME_WAIT状态连接的数量，也有文章说TIME_WAIT状态是必不可少、不能优化掉的。这两种看似自相矛盾的观点之所以存在，就在于优化连接关闭时，不能仅基于主机端的视角，还必须站在整个网络的层次上，才能给出正确的解决方案。
Linux为四次挥手提供了很多控制参数，有些参数的名称与含义并不相符。例如tcp_orphan_retries参数中有orphan孤儿，却同时对非孤儿连接也生效。而且，错误地配置这些参数，不只无法针对高并发场景提升性能，还会降低资源的使用效率，甚至引发数据错误。
这一讲，我们将基于四次挥手的流程，介绍Linux下的优化方法。
四次挥手的流程
你想没想过，为什么建立连接是三次握手，而关闭连接需要四次挥手呢？
这是因为TCP不允许连接处于半打开状态时就单向传输数据，所以在三次握手建立连接时，服务器会把ACK和SYN放在一起发给客户端，其中，ACK用来打开客户端的发送通道，SYN用来打开服务器的发送通道。这样，原本的四次握手就降为三次握手了。
但是当连接处于半关闭状态时，TCP是允许单向传输数据的。为便于下文描述，**接下来我们把先关闭连接的一方叫做主动方，后关闭连接的一方叫做被动方。**当主动方关闭连接时，被动方仍然可以在不调用close函数的状态下，长时间发送数据，此时连接处于半关闭状态。这一特性是TCP的双向通道互相独立所致，却也使得关闭连接必须通过四次挥手才能做到。
**互联网中往往服务器才是主动关闭连接的一方。**这是因为，HTTP消息是单向传输协议，服务器接收完请求才能生成响应，发送完响应后就会立刻关闭TCP连接，这样及时释放了资源，能够为更多的用户服务。
这就使得服务器的优化策略变得复杂起来。一方面，由于被动方有多种应对策略，从而增加了主动方的处理分支。另一方面，服务器同时为成千上万个用户服务，任何错误都会被庞大的用户数放大。所以对主动方的关闭连接参数调整时，需要格外小心。
了解了这一点之后，我们再来看四次挥手的流程。
**其实四次挥手只涉及两种报文：FIN和ACK。**FIN就是Finish结束连接的意思，谁发出FIN报文，就表示它将不再发送任何数据，关闭这一方向的传输通道。ACK是Acknowledge确认的意思，它用来通知对方：你方的发送通道已经关闭。
当主动方关闭连接时，会发送FIN报文，此时主动方的连接状态由ESTABLISHED变为FIN_WAIT1。当被动方收到FIN报文后，内核自动回复ACK报文，连接状态由ESTABLISHED变为CLOSE_WAIT，顾名思义，它在等待进程调用close函数关闭连接。当主动方接收到这个ACK报文后，连接状态由FIN_WAIT1变为FIN_WAIT2，主动方的发送通道就关闭了。
再来看被动方的发送通道是如何关闭的。当被动方进入CLOSE_WAIT状态时，进程的read函数会返回0，这样开发人员就会有针对性地调用close函数，进而触发内核发送FIN报文，此时被动方连接的状态变为LAST_ACK。当主动方收到这个FIN报文时，内核会自动回复ACK，同时连接的状态由FIN_WAIT2变为TIME_WAIT，Linux系统下大约1分钟后TIME_WAIT状态的连接才会彻底关闭。而被动方收到ACK报文后，连接就会关闭。
主动方的优化
关闭连接有多种方式，比如进程异常退出时，针对它打开的连接，内核就会发送RST报文来关闭。RST的全称是Reset复位的意思，它可以不走四次挥手强行关闭连接，但当报文延迟或者重复传输时，这种方式会导致数据错乱，所以这是不得已而为之的关闭连接方案。
安全关闭连接的方式必须通过四次挥手，它由进程调用close或者shutdown函数发起，这二者都会向对方发送FIN报文（shutdown参数须传入SHUT_WR或者SHUT_RDWR才会发送FIN），区别在于close调用后，哪怕对方在半关闭状态下发送的数据到达主动方，进程也无法接收。
**此时，这个连接叫做孤儿连接，如果你用netstat -p命令，会发现连接对应的进程名为空。而shutdown函数调用后，即使连接进入了FIN_WAIT1或者FIN_WAIT2状态，它也不是孤儿连接，进程仍然可以继续接收数据。**关于孤儿连接的概念，下文调优参数时还会用到。
主动方发送FIN报文后，连接就处于FIN_WAIT1状态下，该状态通常应在数十毫秒内转为FIN_WAIT2。只有迟迟收不到对方返回的ACK时，才能用netstat命令观察到FIN_WAIT1状态。此时，内核会定时重发FIN报文，其中重发次数由tcp_orphan_retries参数控制（注意，orphan虽然是孤儿的意思，该参数却不只对孤儿连接有效，事实上，它对所有FIN_WAIT1状态下的连接都有效），默认值是0，特指8次：
net.ipv4.tcp_orphan_retries = 0
如果FIN_WAIT1状态连接有很多，你就需要考虑降低tcp_orphan_retries的值。当重试次数达到tcp_orphan_retries时，连接就会直接关闭掉。
**对于正常情况来说，调低tcp_orphan_retries已经够用，但如果遇到恶意攻击，FIN报文根本无法发送出去。**这是由TCP的2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发送时，FIN报文也不能提前发送。
- 其次，TCP有流控功能，当接收方将接收窗口设为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，就可以通过将接收窗口设为0，导致FIN报文无法发送，进而导致连接一直处于FIN_WAIT1状态。
解决这种问题的方案是调整tcp_max_orphans参数：
net.ipv4.tcp_max_orphans = 16384
顾名思义，**tcp_max_orphans 定义了孤儿连接的最大数量。**当进程调用close函数关闭连接后，无论该连接是在FIN_WAIT1状态，还是确实关闭了，这个连接都与该进程无关了，它变成了孤儿连接。Linux系统为防止孤儿连接过多，导致系统资源长期被占用，就提供了tcp_max_orphans参数。如果孤儿连接数量大于它，新增的孤儿连接将不再走四次挥手，而是直接发送RST复位报文强制关闭。
当连接收到ACK进入FIN_WAIT2状态后，就表示主动方的发送通道已经关闭，接下来将等待对方发送FIN报文，关闭对方的发送通道。这时，如果连接是用shutdown函数关闭的，连接可以一直处于FIN_WAIT2状态。但对于close函数关闭的孤儿连接，这个状态不可以持续太久，而tcp_fin_timeout控制了这个状态下连接的持续时长。
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 60
它的默认值是60秒。这意味着对于孤儿连接，如果60秒后还没有收到FIN报文，连接就会直接关闭。这个60秒并不是拍脑袋决定的，它与接下来介绍的TIME_WAIT状态的持续时间是相同的，我们稍后再来回答60秒的由来。
TIME_WAIT是主动方四次挥手的最后一个状态。当收到被动方发来的FIN报文时，主动方回复ACK，表示确认对方的发送通道已经关闭，连接随之进入TIME_WAIT状态，等待60秒后关闭，为什么呢？我们必须站在整个网络的角度上，才能回答这个问题。
TIME_WAIT状态的连接，在主动方看来确实已经关闭了。然而，被动方没有收到ACK报文前，连接还处于LAST_ACK状态。如果这个ACK报文没有到达被动方，被动方就会重发FIN报文。重发次数仍然由前面介绍过的tcp_orphan_retries参数控制。
如果主动方不保留TIME_WAIT状态，会发生什么呢？此时连接的端口恢复了自由身，可以复用于新连接了。然而，被动方的FIN报文可能再次到达，这既可能是网络中的路由器重复发送，也有可能是被动方没收到ACK时基于tcp_orphan_retries参数重发。这样，**正常通讯的新连接就可能被重复发送的FIN报文误关闭。**保留TIME_WAIT状态，就可以应付重发的FIN报文，当然，其他数据报文也有可能重发，所以TIME_WAIT状态还能避免数据错乱。
我们再回过头来看看，为什么TIME_WAIT状态要保持60秒呢？这与孤儿连接FIN_WAIT2状态默认保留60秒的原理是一样的，因为这两个状态都需要保持2MSL时长。MSL全称是Maximum Segment Lifetime，它定义了一个报文在网络中的最长生存时间（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，这就限制了报文的最长存活时间）。
为什么是2 MSL的时长呢？这其实是相当于至少允许报文丢失一次。比如，若ACK在一个MSL内丢失，这样被动方重发的FIN会在第2个MSL内到达，TIME_WAIT状态的连接可以应对。为什么不是4或者8 MSL的时长呢？你可以想象一个丢包率达到百分之一的糟糕网络，连续两次丢包的概率只有万分之一，这个概率实在是太小了，忽略它比解决它更具性价比。
因此，TIME_WAIT和FIN_WAIT2状态的最大时长都是2 MSL，由于在Linux系统中，MSL的值固定为30秒，所以它们都是60秒。
虽然TIME_WAIT状态的存在是有必要的，但它毕竟在消耗系统资源，比如TIME_WAIT状态的端口就无法供新连接使用。怎样解决这个问题呢？
Linux提供了tcp_max_tw_buckets 参数，当TIME_WAIT的连接数量超过该参数时，新关闭的连接就不再经历TIME_WAIT而直接关闭。
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000
当服务器的并发连接增多时，相应地，同时处于TIME_WAIT状态的连接数量也会变多，此时就应当调大tcp_max_tw_buckets参数，减少不同连接间数据错乱的概率。
当然，tcp_max_tw_buckets也不是越大越好，毕竟内存和端口号都是有限的。有没有办法让新连接复用TIME_WAIT状态的端口呢？如果服务器会主动向上游服务器发起连接的话，就可以把tcp_tw_reuse参数设置为1，它允许作为客户端的新连接，在安全条件下使用TIME_WAIT状态下的端口。
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
当然，要想使tcp_tw_reuse生效，还得把timestamps参数设置为1，它满足安全复用的先决条件（对方也要打开tcp_timestamps ）：
net.ipv4.tcp_timestamps = 1
老版本的Linux还提供了tcp_tw_recycle参数，它并不要求TIME_WAIT状态存在60秒，很容易导致数据错乱，不建议设置为1。
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0
所以在Linux 4.12版本后，直接取消了这一参数。
被动方的优化
当被动方收到FIN报文时，就开启了被动方的四次挥手流程。内核自动回复ACK报文后，连接就进入CLOSE_WAIT状态，顾名思义，它表示等待进程调用close函数关闭连接。
内核没有权力替代进程去关闭连接，因为若主动方是通过shutdown关闭连接，那么它就是想在半关闭连接上接收数据。因此，Linux并没有限制CLOSE_WAIT状态的持续时间。
当然，大多数应用程序并不使用shutdown函数关闭连接，所以，当你用netstat命令发现大量CLOSE_WAIT状态时，要么是程序出现了Bug，read函数返回0时忘记调用close函数关闭连接，要么就是程序负载太高，close函数所在的回调函数被延迟执行了。此时，我们应当在应用代码层面解决问题。
由于CLOSE_WAIT状态下，连接已经处于半关闭状态，所以此时进程若要关闭连接，只能调用close函数（再调用shutdown关闭单向通道就没有意义了），内核就会发出FIN报文关闭发送通道，同时连接进入LAST_ACK状态，等待主动方返回ACK来确认连接关闭。
如果迟迟等不到ACK，内核就会重发FIN报文，重发次数仍然由tcp_orphan_retries参数控制，这与主动方重发FIN报文的优化策略一致。
至此，由一方主动发起四次挥手的流程就介绍完了。需要你注意的是，如果被动方迅速调用close函数，那么被动方的ACK和FIN有可能在一个报文中发送，这样看起来，四次挥手会变成三次挥手，这只是一种特殊情况，不用在意。
我们再来看一种特例，如果连接双方同时关闭连接，会怎么样？
此时，上面介绍过的优化策略仍然适用。两方发送FIN报文时，都认为自己是主动方，所以都进入了FIN_WAIT1状态，FIN报文的重发次数仍由tcp_orphan_retries参数控制。
接下来，双方在等待ACK报文的过程中，都等来了FIN报文。这是一种新情况，所以连接会进入一种叫做CLOSING的新状态，它替代了FIN_WAIT2状态。此时，内核回复ACK确认对方发送通道的关闭，仅己方的FIN报文对应的ACK还没有收到。所以，CLOSING状态与LAST_ACK状态下的连接很相似，它会在适时重发FIN报文的情况下最终关闭。
小结
我们对这一讲的内容做个小结。
今天我们讲了四次挥手的流程，你需要根据主动方与被动方的连接状态变化来调整系统参数，使它在特定网络条件下更及时地释放资源。
四次挥手的主动方，为了应对丢包，允许在tcp_orphan_retries次数内重发FIN报文。当收到ACK报文，连接就进入了FIN_WAIT2状态，此时系统的行为依赖这是否为孤儿连接。
如果这是close函数关闭的孤儿连接，那么在tcp_fin_timeout秒内没有收到对方的FIN报文，连接就直接关闭，反之shutdown函数关闭的连接则不受此限制。毕竟孤儿连接可能在重发次数内存在数分钟之久，为了应对孤儿连接占用太多的资源，tcp_max_orphans定义了最大孤儿连接的数量，超过时连接就会直接释放。
当接收到FIN报文，并返回ACK后，主动方的连接进入TIME_WAIT状态。这一状态会持续1分钟，为了防止TIME_WAIT状态占用太多的资源，tcp_max_tw_buckets定义了最大数量，超过时连接也会直接释放。当TIME_WAIT状态过多时，还可以通过设置tcp_tw_reuse和tcp_timestamps为1 ，将TIME_WAIT状态的端口复用于作为客户端的新连接。
被动关闭的连接方应对非常简单，它在回复ACK后就进入了CLOSE_WAIT状态，等待进程调用close函数关闭连接。因此，出现大量CLOSE_WAIT状态的连接时，应当从应用程序中找问题。当被动方发送FIN报文后，连接就进入LAST_ACK状态，在未等来ACK时，会在tcp_orphan_retries参数的控制下重发FIN报文。
至此，TCP连接建立、关闭时的性能优化就介绍完了。下一讲，我们将专注在TCP上传输数据时，如何优化内存的使用效率。
思考题
最后，给你留一个思考题。你知道关闭连接时的SO_LINGER选项吗？它希望用四次挥手替代RST关闭连接的方式，防止浏览器没有接收到完整的HTTP响应。请你思考一下，SO_LINGER会怎么影响主动方连接的状态变化？SO_LINGER上的超时时间，是怎样与系统配置参数协作的？欢迎你在留言区与我一起探讨。
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