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來源：https://zhenbianshu.github.io
由來
最近有同事在用 ab 進行服務壓測，到 QPS 瓶頸後懷疑是起壓機的問題，來跟我借測試機，於是我就趁機分析了一波起壓機可能成爲壓測瓶頸的可能，除了網絡 I/O、機器性能外，還考慮到了網絡協議的問題。
當然本文的主角並不是壓測，後來分析證明同事果然還是想多了，瓶頸是在服務端。
分析起壓機瓶頸的過程中，對於 TCP TIME_WAIT 狀態的一個猜想引起了我的興趣。由於之前排查問題時，簡單地接觸過這個狀態，但並未深入瞭解，於是決定抽時間分析一下，拆解一下我的猜想。
TCP 的狀態轉換
我們都知道 TCP 的三次握手，四次揮手，說來簡單，但在不穩定的物理網絡中，每一個動作都有可能失敗，爲了保證數據被有效傳輸，TCP 的具體實現中也加入了很多對這些異常狀況的處理。
狀態分析
先用一張圖來回想一下 TCP 的狀態轉換。
一眼看上去，這麼多種狀態，各個方向的連線，讓人感覺有點懵。但細細分析下來，還是有理可循的。
首先，整個圖可以被劃分爲三個部分，即上半部分建連過程，左下部分主動關閉連接過程和右下部分被動關閉連接過程。
再來看各個部分：建連過程就是我們熟悉的三次握手，只是這張圖上多了一個服務端會存在的 LISTEN 狀態；而主動關閉連接和被動關閉連接，都是四次揮手的過程。
查看連接狀態
在 Linux 上，我們常用 netstat 來查看網絡連接的狀態。當然我們還可以使用更快捷高效的 ss (Socket Statistics) 來替代 netstat。
這兩個工具都會列出此時機器上的 socket 連接的狀態，通過簡單的統計就可以分析出此時服務器的網絡狀態。
TIME_WAIT
定義
我們從上面的圖中可以看出來，當 TCP 連接主動關閉時，都會經過 TIME_WAIT 狀態。而且我們在機器上 curl 一個 url 創建一個 TCP 連接後，使用 ss 等工具可以在一定時長內持續觀察到這個連續處於 TIME_WAIT 狀態。
所以TIME_WAIT 是這麼一種狀態：TCP 四次握手結束後，連接雙方都不再交換消息，但主動關閉的一方保持這個連接在一段時間內不可用。
那麼，保持這麼一個狀態有什麼用呢？
原因
上文中提到過，對於複雜的網絡狀態，TCP 的實現提出了多種應對措施，TIME_WAIT 狀態的提出就是爲了應對其中一種異常狀況。
爲了理解 TIME_WAIT 狀態的必要性，我們先來假設沒有這麼一種狀態會導致的問題。暫以 A、B 來代指 TCP 連接的兩端，A 爲主動關閉的一端。
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四次揮手中，A 發 FIN， B 響應 ACK，B 再發 FIN，A 響應 ACK 實現連接的關閉。而如果 A 響應的 ACK 包丟失，B 會以爲 A 沒有收到自己的關閉請求，然後會重試向 A 再發 FIN 包。
如果沒有 TIME_WAIT 狀態，A 不再保存這個連接的信息，收到一個不存在的連接的包，A 會響應 RST 包，導致 B 端異常響應。
此時， TIME_WAIT 是爲了保證全雙工的 TCP 連接正常終止。
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我們還知道，TCP 下的 IP 層協議是無法保證包傳輸的先後順序的。如果雙方揮手之後，一個網絡四元組（src/dst ip/port）被回收，而此時網絡中還有一個遲到的數據包沒有被 B 接收，A 應用程序又立刻使用了同樣的四元組再創建了一個新的連接後，這個遲到的數據包纔到達 B，那麼這個數據包就會讓 B 以爲是 A 剛發過來的。
此時， TIME_WAIT 的存在是爲了保證網絡中迷失的數據包正常過期。
由以上兩個原因，TIME_WAIT 狀態的存在是非常有意義的。
時長的確定
由原因來推實現，TIME_WAIT 狀態的保持時長也就可以理解了。確定 TIME_WAIT 的時長主要考慮上文的第二種情況，保證關閉連接後這個連接在網絡中的所有數據包都過期。
說到過期時間，不得不提另一個概念: 最大分段壽命（MSL, Maximum Segment Lifetime），它表示一個 TCP 分段可以存在於互聯網系統中的最大時間，由 TCP 的實現，超出這個壽命的分片都會被丟棄。
TIME_WAIT 狀態由主動關閉的 A 來保持，那麼我們來考慮對於 A 來說，可能接到上一個連接的數據包的最大時長：A 剛發出的數據包，能保持 MSL 時長的壽命，它到了 B 端後，B 端由於關閉連接了，會響應 RST 包，這個 RST 包最長也會在 MSL 時長後到達 A，那麼 A 端只要保持 TIME_WAIT 到達 2MS 就能保證網絡中這個連接的包都會消失。
MSL 的時長被 RFC 定義爲 2分鐘，但在不同的 unix 實現上，這個值不併確定，我們常用的 centOS 上，它被定義爲 30s，我們可以通過 /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 這個文件查看和修改這個值。
ab 的”奇怪”表現
猜想
由上文，我們知道由於 TIME_WAIT 的存在，每個連接被主動關閉後，這個連接就要保留 2MSL（60s） 時長，一個網絡四元組也要被凍結 60s。而我們機器默認可被分配的端口號約有 30000 個（可通過 /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range 文件查看）。
那麼如果我們使用 curl 對服務器請求時，作爲客戶端，都要使用本機的一個端口號，所有的端口號分配到 60s 內，每秒就要控制在 500 QPS，再多了，系統就無法再分配端口號了。
可是在使用 ab 進行壓測時時，以每秒 4000 的 QPS 運行幾分鐘，起壓機照樣正常工作，使用 ss 查看連接詳情時，發現一個 TIME_WAIT 狀態的連接都沒有。
分析
一開始我以爲是 ab 使用了連接複用等技術，仔細查看了 ss 的輸出發現本地端口號一直在變，到底是怎麼回事呢？
於是，我在一臺測試機啓動了一個簡單的服務，端口號 8090，然後在另一臺機器上起壓，並同時用 tcpdump 抓包。
結果發現，第一個 FIN 包都是由服務器發送的，即 ab 不會主動關閉連接。
登上服務器一看，果然，有大量的 TIME_WAIT 狀態的連接。
但是由於服務器監聽的端口會複用，這些 TIME_WAIT 狀態的連接並不會對服務器造成太大影響，只是會佔用一些系統資源。
小結
當然，高併發情況下，太多的 TIME_WAIT 也會給服務器造成很大的壓力，畢竟維護這麼多 socket 也是要消耗資源的