被抛弃的tcp_recycle

本文从一次巧合发现高版本Linux不再支持tcp_tw_recycle，深入研究了连接状态TIME_WAIT的原理，进而分析了tcp_tw族内核参数和如何应用它们对Linux的连接进行调优。

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