作者 | 韩述
来源 | 阿里技术公众号
最近在做数据库相关的事情，碰到了很多TCP相关的问题，新的场景新的挑战，有很多之前并没有掌握透彻的点，大大开了一把眼界，选了几个案例分享一下。
案例一：TCP中并不是所有的RST都有效
背景知识
在TCP协议中，包含RST标识位的包，用来异常的关闭连接。在TCP的设计中它是不可或缺的，发送RST段关闭连接时，不必等缓冲区的数据都发送出去，直接丢弃缓冲区中的数据。而接收端收到RST段后，也不必发送ACK来确认。
问题现象
某客户连接数据库经常出现连接中断，但是经过反复排查，后端数据库实例排查没有执行异常或者Crash等问题，客户端Connection reset的堆栈如下图：
经过复现及双端抓包的初步定位，找到了一个可疑点，TCP交互的过程中客户端发了一个RST（后经查明是客户端本地的一些安全相关iptables规则导致），但是神奇的是，这个RST并没有影响TCP数据的交互，双方很愉快的无视了这个RST，很开心的继续数据交互，然而10s钟之后，连接突然中断，参看如下抓包：
关键点分析
从抓包现象看，在客户端发了一个RST之后，双方的TCP数据交互似乎没有受到任何影响，无论是数据传输还是ACK都很正常，在本轮数据交互结束后，TCP连接又正常的空闲了一会，10s之后连接突然被RST掉，这里就有两个有意思的问题了：
- TCP数据交互过程中，在一方发了RST以后，连接一定会终止么
- 连接会立即终止么，还是会等10s
查看一下RFC的官方解释：
简单来说，就是RST包并不是一定有效的，除了在TCP握手阶段，其他情况下，RST包的Seq号，都必须in the window，这个in the window其实很难从字面理解，经过对Linux内核代码的辅助分析，确定了其含义实际就是指TCP的 —— 滑动窗口，准确说是滑动窗口中的接收窗口。
我们直接检查Linux内核源码，内核在收到一个TCP报文后进入如下处理逻辑：
下面是内核中关于如何确定Seq合法性的部分：
总结
Q：TCP数据交互过程中，在一方发了RST以后，连接一定会终止么?
A：不一定会终止，需要看这个RST的Seq是否在接收方的接收窗口之内，如上例中就因为Seq号较小，所以不是一个合法的RST被Linux内核无视了。
Q：连接会立即终止么，还是会等10s?
A：连接会立即终止，上面的例子中过了10s终止，正是因为，linux内核对RFC严格实现，无视了RST报文，但是客户端和数据库之间经过的SLB（云负载均衡设备），却处理了RST报文，导致10s（SLB 10s 后清理session）之后关闭了TCP连接
这个案例告诉我们，透彻的掌握底层知识，其实是很有用的，否则一旦遇到问题，（自证清白并指向root cause）都不知道往哪个方向排查。
案例二：Linux内核究竟有多少TCP端口可用
背景知识
我们平时有一个常识，Linux内核一共只有65535个端口号可用，也就意味着一台机器在不考虑多网卡的情况下最多只能开放65535个TCP端口。
但是经常看到有单机百万TCP连接，是如何做到的呢，这是因为，TCP是采用四元组（Client端IP + Client端Port + Server端IP + Server端Port）作为TCP连接的唯一标识的。如果作为TCP的Server端，无论有多少Client端连接过来，本地只需要占用同一个端口号。而如果作为TCP的Client端，当连接的对端是同一个IP + Port，那确实每一个连接需要占用一个本地端口，但如果连接的对端不是同一个IP + Port，那么其实本地是可以复用端口的，所以实际上Linux中有效可用的端口是很多的（只要四元组不重复即可）。
问题现象
作为一个分布式数据库，其中每个节点都是需要和其他每一个节点都建立一个TCP连接，用于数据的交换，那么假设有100个数据库节点，在每一个节点上就会需要100个TCP连接。当然由于是多进程模型，所以实际上是每个并发需要100个TCP连接。假如有100个并发，那就需要1W个TCP连接。但事实上1W个TCP连接也不算多，由之前介绍的背景知识我们可以得知，这远远不会达到Linux内核的瓶颈。
但是我们却经常遇到端口不够用的情况， 也就是“bind:Address already in use”：
其实看到这里，很多同学已经在猜测问题的关键点了，经典的TCP time_wait 问题呗，关于TCP的 time_wait 的背景介绍以及应对方法不是本文的重点就不赘述了，可以自行了解。乍一看，系统中有50W的 time_wait 连接，才65535的端口号，必然不可用：
但是这个猜测是错误的！因为系统参数 net.ipv4.tcp_tw_reuse 早就已经被打开了，所以不会由于 time_wait 问题导致上述现象发生，理论上说在开启 net.ipv4.cp_tw_reuse 的情况下，只要对端IP + Port 不重复，可用的端口是很多的，因为每一个对端IP + Port都有65535个可用端口：
问题分析
- Linux中究竟有多少个端口是可以被使用
- 为什么在 tcp_tw_reuse 情况下，端口依然不够用
Linux有多少端口可以被有效使用
理论来说，端口号是16位整型，一共有65535个端口可以被使用，但是Linux操作系统有一个系统参数，用来控制端口号的分配：
net.ipv4.ip_local_port_range我们知道，在写网络应用程序的时候，有两种使用端口的方式：
- 方式一：显式指定端口号 —— 通过 bind() 系统调用，显式的指定bind一个端口号，比如 bind(8080) 然后再执行 listen() 或者 connect() 等系统调用时，会使用应用程序在 bind() 中指定的端口号。
- 方式二：系统自动分配 —— bind() 系统调用参数传0即 bind(0) 然后执行 listen()。或者不调用 bind()，直接 connect()，此时是由Linux内核随机分配一个端口号，Linux内核会在 net.ipv4.ip_local_port_range 系统参数指定的范围内，随机分配一个没有被占用的端口。
例如如下情况，相当于 1-20000 是系统保留端口号（除非按方法一显式指定端口号），自动分配的时候，只会从 20000 - 65535 之间随机选择一个端口，而不会使用小于20000的端口：
为什么在 tcp_tw_reuse=1 情况下，端口依然不够用
细心的同学可能已经发现了，报错信息全部都是 bind() 这个系统调用失败，而没有一个是 connect() 失败。在我们的数据库分布式节点中，所有 connect() 调用（即作为TCP client端）都成功了，但是作为TCP server的 bind(0) + listen() 操作却有很多没成功，报错信息是端口不足。
由于我们在源码中，使用了 bind(0) + listen() 的方式（而不是bind某一个固定端口），即由操作系统随机选择监听端口号，问题的根因，正是这里。connect() 调用依然能从 net.ipv4.ip_local_port_range 池子里捞出端口来，但是 bind(0) 却不行了。为什么，因为两个看似行为相似的系统调用，底层的实现行为却是不一样的。
源码之前，了无秘密：bind() 系统调用在进行随机端口选择时，判断是否可用是走的 inet_csk_bind_conflict ，其中排除了存在 time_wait 状态连接的端口：
而 connect() 系统调用在进行随机端口的选择时，是走 __inet_check_established 判断可用性的，其中不但允许复用存在 TIME_WAIT 连接的端口，还针对存在TIME_WAIT的连接的端口进行了如下判断比较，以确定是否可以复用：
一张图总结一下：
于是答案就明了了，bind(0) 和 connect()冲突了，ip_local_port_range 的池子里被 50W 个 connect() 遗留的 time_wait 占满了，导致 bind(0) 失败。知道了原因，修复方案就比较简单了，将 bind(0) 改为bind指定port，然后在应用层自己维护一个池子，每次从池子中随机地分配即可。
总结
Q：Linux中究竟有多少个端口是可以被有效使用的？
A：Linux一共有65535个端口可用，其中 ip_local_port_range 范围内的可以被系统随机分配，其他需要指定绑定使用，同一个端口只要TCP连接四元组不完全相同可以无限复用。
Q：什么在 tcp_tw_reuse=1 情况下，端口依然不够用？
A：connect() 系统调用和 bind(0) 系统调用在随机绑定端口的时候选择限制不同，bind(0) 会忽略存在 time_wait 连接的端口。
这个案例告诉我们，如果对某一个知识点比如 time_wait，比如Linux究竟有多少Port可用知道一点，但是只是一知半解，就很容易陷入思维陷阱，忽略真正的Root Case，要掌握就要透彻。
案例三：诡异的幽灵连接
背景知识
TCP三次握手，SYN、SYN-ACK、ACK是所有人耳熟能详的常识，但是具体到Socket代码层面，是如何和三次握手的过程对应的，恐怕就不是那么了解了，可以看一下如下图，理解一下（图源：小林coding）：
这个过程的关键点是，在Linux中，一般情况下都是内核代理三次握手的，也就是说，当你client端调用 connect() 之后内核负责发送SYN，接收SYN-ACK，发送ACK。然后 connect() 系统调用才会返回，客户端侧握手成功。
而服务端的Linux内核会在收到SYN之后负责回复SYN-ACK再等待ACK之后才会让 accept() 返回，从而完成服务端侧握手。于是Linux内核就需要引入半连接队列（用于存放收到SYN，但还没收到ACK的连接）和全连接队列（用于存放已经完成3次握手，但是应用层代码还没有完成 accept() 的连接）两个概念，用于存放在握手中的连接。
问题现象
我们的分布式数据库在初始化阶段，每两个节点之间两两建立TCP连接，为后续数据传输做准备。但是在节点数比较多时，比如320节点的情况下，很容易出现初始化阶段卡死，经过代码追踪，卡死的原因是，发起TCP握手侧已经成功完成的了 connect() 动作，认为TCP已建立成功，但是TCP对端却没有握手成功，还在等待对方建立TCP连接，从而整个集群一直没有完成初始化。
关键点分析
看过之前的背景介绍，聪明的小伙伴一定会好奇，假如我们上层的 accpet() 调用没有那么及时（应用层压力大，上层代码在干别的），那么全连接队列是有可能会满的，满的情况会是如何效果，我们下面就重点看一下全连接队列满的时候会发生什么。
当全连接队列满时，connect() 和 accept() 侧是什么表现行为？
实践是检验真理的最好途径
我们直接上测试程序。
client.c ：
server.c ：
通过执行上述代码，我们观察Linux 3.10版本内核在全连接队列满的情况下的现象。神奇的事情发生了，服务端全连接队列已满，该连接被丢掉，但是客户端 connect() 系统调用却已经返回成功，客户端以为这个TCP连接握手成功了，但是服务端却不知道，这个连接犹如幽灵一般存在了一瞬又消失了：
这个问题对应的抓包如下：
正如问题中所述的现象，在一个320个节点的集群中，总会有个别节点，明明 connect() 返回成功了，但是对端却没有成功，因为3.10内核在全连接队列满的情况下，会先回复SYN-ACK，然后移进全连接队列时才发现满了于是丢弃连接，这样从客户端看来TCP连接成功了，但是服务端却什么都不知道。
Linux 4.9版本内核在全连接队列满时的行为
在4.9内核中，对于全连接队列满的处理，就不一样，connect() 系统调用不会成功，一直阻塞，也就是说能够避免幽灵连接的产生：
抓包报文交互如下，可以看到Server端没有回复SYN-ACK，客户端一直在重传SYN：
事实上，在刚遇到这个问题的时候，我第一时间就怀疑到了全连接队列满的情况，但是悲剧的是看的源码是Linux 3.10的，而随手找的一个本地日常测试的ECS却刚好是Linux 4.9内核的，导致写了个demo测试例子却死活没有复现问题。排除了所有其他原因，再次绕回来的时候已经是一周之后了（这是一个悲伤的故事）。
总结
Q：当全连接队列满时，connect() 和 accept() 侧是什么表现行为?
A：Linux 3.10内核和新版本内核行为不一致，如果在Linux 3.10内核，会出现客户端假连接成功的问题，Linux 4.9内核就不会出现问题。
这个案例告诉我们，实践是检验真理的最好方式，但是实践的时候也一定要睁大眼睛看清楚环境差异，如Linux内核这般稳定的东西，也不是一成不变的。唯一不变的是变化，也许你也是可以来数据库内核玩玩底层技术的。
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