原创: SRE 小米运维
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1

背景

最近准备搭建一个新的kubernetes集群,将内核从3.18更新到了4.14版本,并执行一些常规的优化操作。在执行sysctl -p操作时突然报错如下:

sysctl: cannot stat /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle: No such file or directory

2

问题原因

Linux 从4.12内核版本开始移除了 tcp_tw_recycle 配置。

参考:[1]_tcp:remove tcp_tw_recycle 4396e460_

移除sysctl.conf中关于net.ipv4.tcp_tw_recycle的配置内容,再次尝试sysctl -p就不再提示报错了。

3

深入解析

tcp_tw_recycle通常会和tcp_tw_reuse参数一起使用,用于解决服务器TIME_WAIT状态连接过多的问题。

3.1

TIME_WAIT状态出现原因与查看

让我们回顾一下四次挥手的流程:

TIME_WAIT永远是出现在主动发送断开连接请求的一方(下文中我们称之为客户),划重点:这一点面试的时候经常会被问到。

客户在收到服务器端发送的FIN(表示”我们也要断开连接了”)后发送ACK报文,并且进入TIME_WAIT状态,等待2MSL(MaximumSegmentLifetime 最大报文生存时间)。对于Linux,字段为TCP_TIMEWAIT_LEN硬编码为30秒,对于windows为2分钟(可自行调整)。

为什么客户端不直接进入CLOSED状态,而是要在TIME_WAIT等待那么久呢,基于如下考虑:

1.确保远程端处于关闭状态。也就是说需要确保客户端发出的最后一个ACK报文能够到达服务器。由于网络不可靠,有可能最后一个ACK报文丢失,如果服务器没有收到客户端的ACK,则会重新发送FIN报文,客户端就可以在2MSL时间段内收到这个这个重发的报文,并且重发ACK报文。但如果客户端跳过TIME_WAIT阶段进入了CLOSED,服务端始终无法得到响应,就会处于LAST-ACK状态,此时假如客户端发起了一个新连接,则会以失败告终。

异常流程如下:

2.防止上一次连接中的包,迷路后重新出现,影响新连接(经过2MSL,上一次连接中所有的重复包都会消失),这一点和为啥要执行三次握手而不是两次的原因是一样的。

异常流程如下:

查看方式有两种:

(1)ss -tan state time-wait|wc -l

(2)netstat -n | awk ‘/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}’

3.2

TIME_WAIT的危害

对于一个处理大量连接的处理器TIME_WAIT是有危害的,表现如下:

1.占用连接资源

TIME_WAIT占用的1分钟时间内,相同四元组(源地址,源端口,目标地址,目标端口)的连接无法创建,通常一个ip可以开启的端口为net.ipv4.ip_local_port_range指定的32768-61000,如果TIME_WAIT状态过多,会导致无法创建新连接。

2.占用内存资源

这个占用资源并不是很多,可以不用担心。

3.3

TIME_WAIT的解决

可以考虑如下方式:

1.修改为长连接,代价较大,长连接对服务器性能有影响。

2.增加可用端口范围(修改net.ipv4.ip_local_port_range); 增加服务端口,比如采用80,81等多个端口提供服务; 增加客户端ip(适用于负载均衡,比如nginx,采用多个ip连接后端服务器); 增加服务端ip; 这些方式治标不治本,只能缓解问题。

3.将net.ipv4.tcp_max_tw_buckets设置为很小的值(默认是18000). 当TIME_WAIT连接数量达到给定的值时,所有的TIME_WAIT连接会被立刻清除,并打印警告信息。但这种粗暴的清理掉所有的连接,意味着有些连接并没有成功等待2MSL,就会造成通讯异常。

4.修改TCP_TIMEWAIT_LEN值,减少等待时间,但这个需要修改内核并重新编译。

5.打开tcp_tw_recycle和tcp_timestamps选项。

6.打开tcp_tw_reuse和tcp_timestamps选项。

3.4

net.ipv4.tcp_tw_{reuse,recycle}

需要明确两个点:

解决方式已经给出,那我们需要了解一下net.ipv4.tcp_tw_reuse和net.ipv4.tcp_tw_recycle有啥区别

1.两个选项都需要打开对TCP时间戳的支持,即net.ipv4.tcp_timestamps=1(默认即为1)。

RFC 1323中实现了TCP拓展规范,以便保证网络繁忙的情况下的高可用。并定义了一个新的TCP选项-两个四字节的timestamp字段,第一个是TCP发送方的当前时钟时间戳,第二个是从远程主机接收到的最新时间戳。

2.两个选项默认都是关闭状态,即等于0。

3.4.1 - net.ipv4.tcp_tw_reuse:更安全的设置

将处于TIME_WAIT状态的socket用于新的TCP连接,影响连出的连接。

[2]kernel sysctl 官方指南中是这么写的:

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.

协议安全主要指的是两点:

1.只适用于客户端(连接发起方)

net/ipv4/inet_hashtables.c

static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
                    struct sock *sk, __u16 lport,
                    struct inet_timewait_sock **twp){    /* ……省略…… */
    sk_nulls_for_each(sk2, node, &head-chain) {            if (sk2-sk_hash != hash)                        continue;                                    if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie,
                    saddr, daddr, ports, dif))) {                        if (sk2-sk_state == TCP_TIME_WAIT) {
                            tw = inet_twsk(sk2);                            if (twsk_unique(sk, sk2, twp))                                break;
            }
            goto not_unique;
        }
    }    /* ……省略…… */}

2.TIME_WAIT创建时间超过1秒才可以被复用

net/ipv4/tcp_ipv4.c

int tcp_twsk_unique(struct sock *sk, struct sock *sktw, void *twp){    /* ……省略…… */
    if (tcptw-tw_ts_recent_stamp &&
        (!twp || (sock_net(sk)-ipv4.sysctl_tcp_tw_reuse &&
         get_seconds() - tcptw-tw_ts_recent_stamp  1))) {         /* ……省略…… */
         return 1;    }    return 0;
}

满足以上两个条件才会被认为是”safe from protocol viewpoint”的状况。启用net.ipv4.tcp_tw_reuse后,如果新的时间戳比之前存储的时间戳更大,那么Linux将会从TIME-WAIT状态的存活连接中选取一个,重新分配给新的连接出去的的TCP连接,这种情况下,TIME-WAIT的连接相当于只需要1秒就可以被复用了。

重新回顾为什么要引入TIME-WAIT:

第一个作用就是避免新连接接收到重复的数据包,由于使用了时间戳,重复的数据包会因为时间戳过期被丢弃。

第二个作用是确保远端不是处于LAST-ACK状态,如果ACK包丢失,远端没有成功获取到最后一个ACK包,则会重发FIN包。直到:

1.放弃(连接断开)

2.收到ACK包

3.收到RST包

如果FIN包被及时接收到,并且本地端仍然是TIME-WAIT状态,那ACK包会被发送,此时就是正常的四次挥手流程。

如果TIME-WAIT的条目已经被新连接所复用,则新连接的SYN包会被忽略掉,并且会收到FIN包的重传,本地会回复一个RST包(因为此时本地连接为SYN-SENT状态),这会让远程端跳出LAST-ACK状态,最初的SYN包也会在1秒后重新发送,然后完成连接的建立,整个过程不会中断,只是有轻微的延迟。流程如下:

需要注意,连接被复用后,TWrecycled计数器会增加(/proc/net/netstat中TWrecycled值)

3.4.2 - net.ipv4.tcp_tw_recycle:更激进的设置

启用TIME_WAIT 状态的sockets的快速回收,影响所有连入和连出的连接

[3]kernel sysctl 官方指南 是这么写的

Enable fast recycling TIME-WAIT sockets. Default value is 0. It should not be changed without advice/request of technical experts.

这次表述的更加模糊,继续翻看源码:

net/ipv4/tcp_input.c

int tcp_conn_request(struct request_sock_ops rsk_ops,
const struct tcp_request_sock_ops
af_ops,
struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
/* ……省略…… / if (!want_cookie && !isn) { /\ ……省略…… */
if (net-ipv4.tcp_death_row.sysctl_tw_recycle) {
bool strict;

dst = af_ops-route_req(sk, &fl, req, &strict); if (dst && strict &&
!tcp_peer_is_proven(req, dst, true,
tmp_opt.saw_tstamp)) {
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_PAWSPASSIVEREJECTED);
goto drop_and_release;
}
}
/* ……省略…… / isn = af_ops-init_seq(skb, &tcp_rsk(req)-ts_off);
}/\
……省略…… */

drop_and_release:
dst_release(dst);
drop_and_free:
reqsk_free(req);
drop:
tcp_listendrop(sk);
return 0;
}

简单来说就是,Linux会丢弃所有来自远端的timestramp时间戳小于上次记录的时间戳(由同一个远端发送的)的任何数据包。也就是说要使用该选项,则必须保证数据包的时间戳是单调递增的。

问题在于,此处的时间戳并不是我们通常意义上面的绝对时间,而是一个相对时间。很多情况下,我们是没法保证时间戳单调递增的,比如使用了nat,lvs等情况。

而这也是很多优化文章中并没有提及的一点,大部分文章都是简单的推荐将net.ipv4.tcp_tw_recycle设置为1,却忽略了该选项的局限性,最终造成严重的后果(比如我们之前就遇到过部署在nat后端的业务网站有的用户访问没有问题,但有的用户就是打不开网页)。

3.5

被抛弃的tcp_tw_recycle

如果说之前内核中tcp_tw_recycle仅仅不适用于nat和lvs环境,那么从4.10内核开始,官方修改了时间戳的生成机制。

参考:[4] tcp: randomize tcp timestamp offsets for each connection 95a22ca

在这种情况下,无论任何时候,tcp_tw_recycle都不应该开启。故被抛弃也是理所应当的了。

4

总结

  • tcp_tw_recycle 选项在4.10内核之前还只是不适用于NAT/LB的情况(其他情况下,我们也非常不推荐开启该选项),但4.10内核后彻底没有了用武之地,并且在4.12内核中被移除.

  • tcp_tw_reuse 选项仍然可用。在服务器上面,启用该选项对于连入的TCP连接来说不起作用,但是对于客户端(比如服务器上面某个服务以客户端形式运行,比如nginx反向代理)等是一个可以考虑的方案。

  • 修改TCP_TIMEWAIT_LEN是非常不建议的行为。

5
参考链接

[1]https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=4396e46187ca5070219b81773c4e65088dac50cc

[2]https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/Documentation/networking/ip-sysctl.txt?h=v4.11#n648

[3]https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/Documentation/networking/ip-sysctl.txt?h=v4.11#n643

[4]https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=95a22caee396cef0bb2ca8fafdd82966a49367bb

[5]Coping with the TCP TIME-WAIT state on busy Linux servers:https://vincent.bernat.ch/en/blog/2014-tcp-time-wait-state-linux

[6]net.ipv4.tcp_tw_recycle は廃止されました ― その危険性を理解する:https://qiita.com/tmshn/items/b49f1b51bfc472968b30

[7]tcp_tw_reuse、tcp_tw_recycle 使用场景及注意事项:https://www.cnblogs.com/lulu/p/4149312.html