【网络】简单聊一下 TIME_WAIT

问题背景

笔者在看自己服务状态数据的时候，会发现有很多 tcp 的连接，也会发现有很多处于不同状态下的 tcp 连接，TIME_WAIT 的连接数有83个，为了弄清楚这个 TIME_WAIT 是什么，整理了下面的笔记用于梳理概念
在这里插入图片描述

基础流程

TCP的三次握手和四次挥手是TCP协议建立和终止连接的基本过程。

在这里插入图片描述

三次握手过程如下：

  1. 客户端发送SYN包（同步序列编号）给服务器，等待服务器确认。
  2. 服务器收到SYN包后，会确认客户的SYN（发送一个ACK），同时也会发送一个SYN包，这个步骤称为SYN+ACK。
  3. 客户端收到服务器的SYN+ACK后，还需向服务器发送确认包ACK。至此，完成三次握手，客户端和服务器开始传送数据。

四次挥手过程如下：

  1. 当数据传送完毕后，客户端会发送一个FIN包给服务器，请求关闭连接。
  2. 服务器收到FIN包后，会发送一个ACK给客户端，确认接收到了FIN包，但不会立即关闭连接，因为服务器可能还有数据需要处理和发送。
  3. 当服务器数据发送完毕后，会向客户端发送FIN包，请求关闭连接。
  4. 客户端收到FIN包后，会发送一个ACK给服务器，然后进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态持续一段时间后，如果没有再收到服务器的消息，那么就关闭连接。至此，完成四次挥手。

为什么有 TIME_WAIT

TIME_WAIT状态在TCP四次挥手的最后阶段出现。在TCP连接被关闭后，操作系统会等待一段时间（通常是2倍的最大分段生存时间），以确保对方收到了关闭连接的确认。这个等待时间就是TIME_WAIT。对于复杂的网络状态，TCP 的实现提出了多种应对措施，TIME_WAIT 状态的提出就是为了应对其中一种异常状况。 此状态的存在主要有两个原因：

  1. 保证最后一个确认消息能被对方收到。如果直接关闭连接，那么对方可能会因为没有收到确认消息而无法关闭连接。
  2. 避免“旧的重复分组”在新的连接中被错误接收。由于网络原因，有可能会有一些旧的重复分组在网络中滞留，如果直接开启新的连接，这些旧的重复分组可能会被新的连接误认为是自己的数据。

为了理解 TIME_WAIT 状态的必要性，我们先来假设没有这么一种状态会导致的问题。暂以 A、B 来代指 TCP 连接的两端，A 为主动关闭的一端。

  • 四次挥手中，A 发 FIN， B 响应 ACK，B 再发 FIN，A 响应 ACK 实现连接的关闭。而如果 A 响应的 ACK 包丢失，B 会以为 A 没有收到自己的关闭请求，然后会重试向 A 再发 FIN 包。

    如果没有 TIME_WAIT 状态，那么A回复ACK立刻关闭,所以B重发的会让A响应重置，A 不再保存这个连接的信息，收到一个不存在的连接的包，A 会响应 RST 包，导致 B 端异常响应。

    此时， TIME_WAIT 是为了保证全双工的 TCP 连接正常终止。

  • 我们还知道，TCP 下的 IP 层协议是无法保证包传输的先后顺序的。如果双方挥手之后，一个网络四元组（src/dst ip/port）被回收，而此时网络中还有一个迟到的数据包没有被 B 接收，A 应用程序又立刻使用了同样的四元组再创建了一个新的连接后，这个迟到的数据包才到达 B，那么这个数据包就会让 B 以为是 A 刚发过来的。

    此时， TIME_WAIT 的存在是为了保证网络中迷失的数据包正常过期。

不同场景下的 TIME_WAIT 的具体影响

基于不同的使用场景，我们一般区分为“长连接”和“短连接”

长链接

长连接，指在一个连接上可以连续发送多个数据包，在连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发链路检测包。

是一种在客户端和服务器之间维持长时间连接的通信机制。与传统的短链接请求-响应模型不同，长链接允许客户端向服务器发出请求并保持连接打开，以等待服务器在有数据更新时立即响应。

长链接的工作原理通常如下：

  1. 客户端发起连接请求： 客户端向服务器发送一个连接请求。
  2. 服务器保持连接打开： 服务器接收到连接请求后，保持连接打开并等待数据变化或其他事件的发生。
  3. 服务器响应： 当服务器有数据更新或满足其他条件时，它立即响应客户端请求，并发送数据给客户端。
  4. 客户端处理响应： 客户端接收到服务器的响应后，可以处理数据更新或执行其他操作。
  5. 连接保持开放： 连接保持开放，客户端和服务器可以继续在连接上进行通信。

长连接的优点是：

这种长链接机制的优势在于实时性更强，因为服务器可以立即将更新推送给客户端，而无需等待客户端发起新的请求。这对于实时通信、即时消息推送以及需要及时获取数据更新的应用场景非常有用。

  • 减少了建立连接和断开连接的开销，提高了传输效率。
  • 减少了连接数，节省了服务器资源。
  • 便于维护和管理。

长连接的缺点是：

长链接也有一些缺点，例如在一些网络环境中可能存在连接超时的问题，而且在维持大量长连接时可能增加服务器的负载。因此，开发人员需要根据具体的应用场景和需求来选择适当的通信机制。

  • 可能会导致连接泄漏，造成资源浪费。
  • 可能会导致连接超时，影响传输效率。

长连接的应用场景包括：

  • 聊天软件：客户端和服务器之间需要保持长连接，以便及时交换消息。
  • 文件传输：服务器和客户端之间需要保持长连接，以便传输大文件。
  • 实时数据传输：服务器和客户端之间需要保持长连接，以便实时传输数据。
package main

import (
	"fmt"
	"net"
	"time"
)

func handleLongConnection(conn net.Conn) {
	defer conn.Close()

	for {
		// 读取客户端发送的数据
		buffer := make([]byte, 1024)
		_, err := conn.Read(buffer)
		if err != nil {
			fmt.Println("Error reading:", err)
			return
		}

		// 处理数据
		fmt.Println("Received:", string(buffer))

		// 模拟长连接，等待一段时间再回复客户端
		time.Sleep(time.Second * 5)

		// 向客户端发送响应
		response := []byte("Server response")
		conn.Write(response)
	}
}

func main() {
	listener, err := net.Listen("tcp", ":8080")
	if err != nil {
		fmt.Println("Error listening:", err)
		return
	}
	defer listener.Close()

	fmt.Println("Server listening on :8080 for long connection")

	for {
		conn, err := listener.Accept()
		if err != nil {
			fmt.Println("Error accepting connection:", err)
			continue
		}

		// 启动长连接处理协程
		go handleLongConnection(conn)
	}
}

短连接

短连接是指在数据传送过程中，只在需要发送数据时，才去建立一个连接，数据发送完成后，则断开此连接，即每次连接只完成一项业务的发送。

在计算机网络中，短连接（short connection）是指在数据传送过程中，只在需要发送数据时，才去建立一个连接，数据发送完成后，则断开此连接，即每次连接只完成一项业务的发送。

短连接的优点是**：**

  1. 资源释放： 短连接在完成数据传输后会立即释放资源，不需要维持长时间的连接状态，因此能够更有效地释放系统资源。
  2. 简单易实现： 短连接模型相对简单，易于实现和维护。每个请求都是独立的，不需要维持连接状态。
  3. 连接灵活性： 短连接适用于一些场景，如HTTP请求，每次请求都是独立的，适合短暂的数据交互。
  4. 适用于并发： 短连接模型适用于并发连接，因为每个连接都是独立的，不会影响其他连接。

短连接的缺点是：

  1. 连接建立开销： 每次建立连接都需要进行握手过程，包括TCP的三次握手，这会增加网络开销。
  2. 频繁的连接断开和建立： 对于高频率的短连接，频繁的连接断开和建立可能会增加系统开销，尤其是在高并发的情况下。
  3. 维护开销： 如果应用中存在频繁的连接建立和断开，服务器需要维护大量的连接状态信息，可能会增加服务器的负担。
  4. 实时性差： 短连接可能无法满足实时性要求较高的应用场景，因为连接建立和断开的开销可能影响数据的实时传输。

短连接的应用场景包括：

  • 浏览器和服务器之间的HTTP请求。
  • 邮件服务器和客户端之间的SMTP/POP3/IMAP协议。
  • 聊天软件客户端和服务器之间的聊天协议。
package main

import (
	"fmt"
	"net"
)

func handleShortConnection(conn net.Conn) {
	defer conn.Close()

	// 读取客户端发送的数据
	buffer := make([]byte, 1024)
	_, err := conn.Read(buffer)
	if err != nil {
		fmt.Println("Error reading:", err)
		return
	}

	// 处理数据
	fmt.Println("Received:", string(buffer))

	// 向客户端发送响应
	response := []byte("Server response")
	conn.Write(response)
}

func main() {
	listener, err := net.Listen("tcp", ":8081")
	if err != nil {
		fmt.Println("Error listening:", err)
		return
	}
	defer listener.Close()

	fmt.Println("Server listening on :8081 for short connection")

	for {
		conn, err := listener.Accept()
		if err != nil {
			fmt.Println("Error accepting connection:", err)
			continue
		}

		// 启动短连接处理
		handleShortConnection(conn)
	}
}

正常的TCP客户端连接在关闭后，会进入一个TIME_WAIT的状态，持续的时间一般在1~4分钟，如果短时间内（例如1s内）进行大量的短连接，则可能出现这样一种情况：客户端所在的操作系统的socket端口和句柄被用尽，系统无法再发起新的连接！如果 TIME_WAIT 连接过多，会消耗大量的系统资源，会耗尽可用的网络端口，从而阻止新的连接建立。因此，对于处于 TIME_WAIT 状态的连接，需要进行合理的管理和控制。

举例来说：假设每秒建立了1000个短连接（Web场景下是很常见的，例如每个请求都去访问），假设TIME_WAIT的时间是1分钟，则1分钟内需要建立6W个短连接，由于TIME_WAIT时间是1分钟，这些短连接1分钟内都处于TIME_WAIT状态，都不会释放，而Linux默认的本地端口范围配置是：net.ipv4.ip_local_port_range = 32768 ~ 61000 不到3W，因此这种情况下新的请求由于没有本地端口就不能建立了。

缓解办法

代码侧

GOLANG

go 里面 Transport 默认参数有个 MaxIdleConns 是100，还有 Timeout 是 90s，这两个参数会导致 client 自动发起 FIN，代码侧可以优化这边的逻辑，不同的语言应该有对应的优化方法。

在这里插入图片描述

系统侧

在TCP连接中，TIME_WAIT状态是在连接关闭后等待一段时间的状态，以确保对方收到了最后的ACK。这是为了处理网络中的滞留数据报文（可能在网络中延迟到达），防止它们被新的连接误认为是旧的连接的问题。

降低TIME_WAIT状态对于提高连接的重用速度是有风险的，因为它可能导致旧的数据报文在网络中被混淆。然而，如果你仍然想要降低TIME_WAIT状态的等待时间，可以在系统上进行一些调整。请注意，对于这样的操作，你应该非常小心，因为它可能会对网络稳定性产生负面影响。

在Linux系统上，你可以通过修改内核参数来调整TIME_WAIT状态的等待时间。

  • net.ipv4.tcp_max_tw_buckets：指定系统同时保持 TIME_WAIT 的最大数量。
  • net.ipv4.tcp_tw_reuse：如果设置为 1，则允许 TIME_WAIT 状态的连接被重用。
  • net.ipv4.tcp_tw_recycle：如果设置为 1，则允许 TIME_WAIT 状态的连接在 FIN_WAIT-2 状态时被快速回收。

以下是一些可能的方法：

方法一：通过sysctl修改

通过sysctl可以动态地调整内核参数。

sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_recycle=1
  • net.ipv4.tcp_tw_reuse=1 允许将TIME_WAIT状态的连接端口重用。
  • net.ipv4.tcp_tw_recycle=1 尝试根据时间戳来快速回收TIME_WAIT状态的连接。

这种方法修改是暂时的，重启后会失效。

方法二：修改sysctl配置文件

将上述配置添加到 /etc/sysctl.conf 文件中，以便在系统启动时应用。

echo "net.ipv4.tcp_tw_reuse=1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.tcp_tw_recycle=1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p

这种方法在系统重启后仍然有效。

请注意，在一些情况下，使用 net.ipv4.tcp_tw_recycle 可能会导致问题，因为它可能与一些网络设备不兼容。在生产环境中，修改这些参数前应该进行充分测试，以确保它们不会对系统的稳定性和性能产生负面影响。

总的来说，TIME_WAIT 是TCP连接管理中的一个重要环节，尽管它可能会引发一些问题，但适当的管理和调优可以最大程度地减轻这些问题的影响，保证网络连接的正常运行。

总结

在 Go 中，HTTP客户端（例如**http.Client**）发起的HTTP请求的完成过程可能涉及到TCP连接的正常关闭，从而触发发送TCP FIN（Finish）标志。这是正常的TCP连接关闭行为，其触发条件包括：

  1. HTTP请求完成： 当HTTP请求完成（例如，成功获取到响应或发生错误）时，客户端的**http.Transport**可能会将连接放回到连接池以便复用，或者决定是否关闭连接。
  2. 连接池空闲时： 如果连接池中没有空闲的连接，并且该连接也没有被标记为永久保持活跃（通过**Transport.DisableKeepAlives**设置），那么连接可能会被关闭。
  3. 达到最大空闲连接数： 如果连接池中的连接数量达到了 http.Transport 的 MaxIdleConns 或 MaxIdleConnsPerHost 设置的最大空闲连接数，那么一些连接可能会被关闭。
  4. 连接过期： http.Transport 会根据连接的空闲时间进行管理。如果连接在一段时间内未被使用，可能会被关闭。

这些操作是为了维护连接池的健康状态，确保连接的新鲜性，并防止长时间空闲的连接占用资源。触发TCP FIN标志是连接关闭的一部分，用于通知对端连接即将关闭。

引用

CHATGPT

BARD

https://www.xiaolincoding.com/network/3_tcp/tcp_tcpdump.html#解密-tcp-三次握手和四次挥手

https://claire-chang.com/2020/03/01/tcp連線階段與time_wait意義/

https://zhenbianshu.github.io/2018/12/talk_about_tcp_timewait.html

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