TCP 新语

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TCP 新语
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原文链接地址： http://blog.reetsee.com/archives/570
client_wireshark

这篇博客来源于我在今日头条的一次问题追查经历，这一次追查基本颠覆了我对TCP一些处理逻辑的认识，包括TCP中的WAIT队列、ACCEPT队列的概念，以及TCP可以在不发FIN或RST的情况下就直接让一个ESTABLISHED状态的连接消失等。

希望这篇博文能对大家理解TCP或日后追查线上问题时有帮助。

 

0 背景

正常而言，client与server建立TCP连接，并由client端主动关闭，会依次经过以下几个状态变化：

tcp_client_server_state

然而最近(2016年10月21号前后)头条的一个服务出现奇怪的现象，在深夜大约2点左右会出现服务高概率Hung死，几乎所有的worker都不工作。

而当时现场的TCP连接状态更是奇怪：从client端看已经没有与server端的连接了，但从server端看仍然保留有与client端的连接，且连接处于ESTABLISHED状态。

我负责跟进这个问题，并开始了从我入职以来持续时间最长、最痛苦的追查。

所幸的是最终问题查到了，而且也知道了问题发生的原因。

PS1：在追查的时候也考虑过是否其中一台机器掉电了而导致出现两端TCP连接不一致的情况，但是这个原因被排除了，因为从日志看两台机器都一直在运行。

PS2：出于公司保密等原因，下面文章中一部分真实截图、IP、目录结构等已替换成对应的示意图或示意文字。

PS3：为了保证阅读体验，可以到 http://blog.reetsee.com/archives/570 查看原文。

1 现象

下面描述的现象中，10.163.0.175是client端机器，10.171.118.80是server端机器。

1.1 TCP连接在client于server两端状态不一致

使用netstat命令查看TCP连接状态。

client端与server端机器看到的TCP连接状态不一致，在server端能看到与client之间的连接：

xuruiqi@server:~$ netstat -apn | grep '10.171.118.80:2095'
tcp6    0   0   10.171.118.80:2095  10.163.0.175:51555  ESTABLISHED 200111/python
xuruiqi@10.171.118.80:~$

在client端却看不到与server的连接：

xuruiqi@client:~$ netstat -apn | grep '10.171.118.80'
xuruiqi@client:~$

1.2 server端进程卡在recvfrom系统调用上

在server端使用strace命令查看进程系统调用情况。

xuruiqi@server:~$ strace -p 1149 -s 256 -f
...
accept(14, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(51555), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:10.163.0.175", &sin6_addr), sin6_f...
...
getpeername(16, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(51555), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:10.163.0.175", &sin6_addr), s...
...
recvfrom(16,

这个现象和1.1中的是一致的

1.3 server端机器CPU、网络流量骤降

机器当时的ListenOverflows非常高：

tcpext

CPU的利用率掉了一个坑：

cpuusage

网络传输量也掉了一个坑：

networktraffic

1.4 client端、server端同一个请求的日志时间对不上

头条内部可以使用logid搜索全量的后端日志构建调用链，从构建的调用链看，client端、server端对于同一个请求（logid相同）的处理时间跨度相差非常大。

例如我们从client端看到的日志是这样的：

TRACE    2017-03-24    03:47:52,282    10.163.0.175 2016102103475201016300017527503A cost=8740ms status=RPCTimedout …

而server端看到的日志是这样的（注意日志时间）：

TRACE    2016-10-21    03:48:01,421    10.171.118.80 2016102103475201016300017527503A cost=4ms …

相当于从client发送请求开始，到client端超时返回，是在03:47:52,282。而神奇的server端竟然在client端已经返回的情况下，经过了9秒才看到这个“穿越”过来的请求，而且还>把它处理了，处理得还很快，只花了4ms，当server端想要返回数据的时候出现了错误日志[Error 107] Transport endpoint is not connected。

1.5 深夜2点时server端的日志突然停止又恢复

从现象来看有一段时间server端在无重启的情况下日志停止了数秒，后又恢复。

上面的现象比较多，简单总结最需要关注的点如下：

  1. TCP状态在client端和server端不一致；
  2. server的进程总是hung死在recvfrom上；
  3. 同一个请求的日志时间在client端和server端对应不上；
  4. 深夜时有什么东西导致了server端抖动，进程可能因为抖动而出现停止。

2 初步推论

根据上面的现象，我们列出以下几个可能的推论。

  1. client端在建连后没有执行close，导致server进程卡死。排除。在重新检视client端代码后，认为不会出现这个问题，即便出了这个问题，client端也应该能看到TCP连接。
  2. client端突然崩溃死机或者被拔网线了。排除。线上机器不会这么干，而且也解释不了为什么client和server的日志打印时间会差那么远。
  3. server端内部卡死，例如卡在读数据库或其它的IO操作上了。排除。从strace的结果来看，最后是卡在读客户端内容上（可以从strace中的fd看出来，上面的fd=16对应了客户端的连接套接字）。
  4. TCP的三次握手完成并不需要我们在代码中执行accept，而是系统底层默认完成握手。有可能。我以前总是认为只有客户端发起connect，然后服务端执行accept，才是建立了连接。但从上面的现象来说，感觉在应用层执行accept函数前，三次握手就已经完成了。如果真的是这样，那么对于server端来说，这个时候Read Buffer已经处于ready的状态，即client可以把请求直接发送到server端，然后server端等待应用层去读。一句话就是：server在代码执行accept之前，其实建连已经完成，并且client已经把请求的内容发到了server端。这就解释了为什么client的日志和server的连接accept日志在时间上对应不起来，但server又能处理这个“穿越”而来的请求。
  5. 深夜2点时有定时任务被执行，执行的时候导致业务的CPU或者IO被抢占从而无法处理正常的请求。有可能。咨询过不少写机器定时任务、预装脚本、网络组的同事，都没有在2点的时候做特殊的操作。以前也怀疑过是不是网络丢包导致FIN没有被收到，但这个解释不了为什么受影响的总是一个业务。关于这个暂时没有太多头绪。
  6. TCP连接存在一种不发FIN或者RST就能使得连接单方面直接关闭的方式。有可能？如果这都能信我就是颠覆了我对TCP的认识，为了验证不可能存在这种方法，最近一周看这方面的内容比大学四年加起来还多。

来看看最经典的TCP状态迁移图：

tcpstatetransfer

连接只要进入ESTABLISHED状态，无论后面怎么走到CLOSED，都一定会发送FIN，或者RST。

除非是从SYN_SENT状态进行关闭或者超市，但如果只是在SYN_SENT状态，客户端怎么可能发送请求数据给服务端？所以处于SYN_SENT状态的可能性很低。

上面的几个推论中，只要4、5、6都同时成立，那么就能解释所有看到的现象。

3 验证与复现

推论5是最快出结果的，因为有同事在观察到Redis出现抖动时，client端会报大量Could not connect to这样的错误，这些错误和晚上server卡死前的错误很像。

当时咨询了一下负责Redis的同学，发现会抖动是因为使用了存储型的Redis，其本身有Background Rewrite，定期把数据刷盘。而出问题的业务所访问的Redis会在凌晨2点一级早上10点发生刷盘操作。

服务队Redis的操作超时设置使用了默认的500ms，当刷盘时间持续较长时，每个请求的处理时间最多可以达到半秒，服务本身的单机QPS比较高，使用的是同步阻塞IO，服务端使用的是多进程模型，70个worker，因此一旦Redis的刷盘时间持续到了1秒，就会堆积约400 – (1 / 0.5) * 70 = 260个请求（凌晨2点QPS为400多），1s内堆积的260个请求中的最后一个要被处理完，也需要在260 / 70 * 0.5 = 1.8秒后，如果刷盘时间再长点，那么越往后的请求会越迟被处理。

上面的计算只是粗略的，不一定精确，但可以定性地认为在抖动期间每个请求的处理时间被大大延长，而这个时候处理能力不足（worker进程数少）会导致越往后的请求被叠加的处理时间越长。

解决的办法：

  1. 通过询问业务后，Redis可以不使用存储型的，这样就不会有Background Rewrite；
  2. 短期内可以提高工作进程数量，但长期来看还是要使用更先进的进程模型以及异步IO的方式。

 

3.2 推论4

推论4确实是对的，头条的线上机器（我感觉对于不少的Linux发行版也成立）三次握手的完成与否不取决于应用层是否执行了accept，而是由操作系统自动完成的。

自己做实验时，可以让server端在accept前sleep足够长的时间（超过client端的超时时间即可）。这时就会发现即便server没有`accept`且client已超时，在sleep结束后server依然能接收到一条穿越而来的请求。

在创建一个socket并对其进行listen时，我们会指定一个叫做“backlog”的参数：

int listen(int sockfd, int backlog);

backlog就是最大允许的队列等待长度，因为一个socket上可能同时来了多个连接，这些连接不可能在一瞬间就被处理完，在被accept前，这些连接需要在这个队列中进行等待。

当这个队列满了，后续的连接是不是就进不来了？并非如此，请看下文。

 

3.2.1 WAIT队列与ACCEPT队列

WAIT队列、ACCEPT队列这两个名字是我参考网上的说法起的。

当一个新连接到达时，实际这个连接会先被放到WAIT队列中，然后对该连接回复三次握手的第二个分节（SYN+ACK）。当ACCEPT队列没有满的时候，就会从WAIT队列的队头取一个连接放到ACCEPT队列。

连接进入ACCEPT队列后，就会等待应用层通过accept函数来将其取出。取出后ACCEPT队列又会腾出一个空位，WAIT队列中队头的连接又会被放到ACCEPT队列中，以此循环。

因此只要一个连接被server端放到ACCEPT队列，client端就会收到三次握手的第二个分节（SYN+ACK）并回复第三个分节（ACK）。

这就造成了即便server端的应用层没有执行accept，client端也会发送数据的现象。

示意图如下：

wait_accept_queue

示意图表示的是同一时刻从client端视角和server端视角看连接的状态。

好了，现在有另一个问题：是不是只要进入了WAIT队列，就总有一天能飞升到ACCEPT队列？ —— 不是的，取决于机器里面的一个参数： /proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow。

当这个值为0的时候：WAIT队列中的队头连接会检查是否可以进入ACCEPT队列，如果队列有位置，则放到ACCEPT队列，如果没有位置，则让连接继续待在WAIT队列中；

当这个值为1的时候：WAIT队列中的队头连接也会检查是否能进入ACCEPT队列，如果队列有位置，则放到ACCEPT队列，如果没有位置，则直接丢弃连接。

头条线上的机器值都是0，哪怕ACCEPT队列满了，WAIT队列的队头也不会被抛弃掉。

 

3.2.2 请求穿越

从上面的分析就知道请求穿越的具体原理了，场景如下：

  1. client连接server端，server端将连接放到WAIT队列中，并给client端回复了三次握手的第二个分节（SYN+ACK）；
  2. client端收到了server端的SYN+ACK，于是回复ACK，三次握手完成，client端认为server端已经准备好接收数据了，于是发送请求数据；
  3. server端连接此时也进入了ACCEPT队列，client端的请求数据到达server端，被放到连接关联的read buffer中，由于应用层没有执行accept，因此请求数据没有得到实际处理；
  4. client端发现server端迟迟没有回复数据，发生超时，关闭了连接，并打印日志认为这次请求已经结束；
  5. 在server端过了一段时间，应用层执行了accept，从read buffer中读取到了请求数据，于是开始处理，处理完后打印日志认为请求处理完成。回写socket时发现client端已经关闭。

 

3.3 连接消失

(PS：需要注意的是，其实有了推论4和推论5之后，我们就基本有对应的解决方案了，但问题发生的详细机理还没理清)

明确了推论4和推论5，最后只剩下推论6 —— 是不是真的存在client端的连接能突然消失的情况光靠YY已经无法得出进一步结论了，试一下复现，万一真的复现就赚了。

我们构造了以下试验环境：

  • 客户端：100个进程（不用线程，尽量保证和线上一致），使用与头条线上环境相似的client不断请求server；
  • 服务端：server端只启动一个worker处理请求，这个worker监听的套接字对应backlog为4。

然后架设好所有的“摄像头”监控进程、网络状态，预先将strace以及tcpdump打开，strace用于查看进程系统调用情况，tcpdump在client端和server端都打开并将对应端口的数据包悉数保存。

现在只求上天保佑能复现一次（我到这一步已经持续追查这个问题4天以上了）。

在这里就不描写主人公在复现问题后欣喜若狂的心理细节。复现后我们将tcpdump的结果放到Wireshark中进行分析，如下图所示：

client_server_retrans

出于保密性的考虑以及便于理解，我将头条的IP全部替换成了client、server字样。

在client端和server端看到的包信息时一样的，client端确实没有发FIN或RST，然后连接就在client端莫名其妙地消失了。

从上图来看诡异的地方有这么几个：

  1. server端重传了三次握手的第二个分节（见编号68340、68891的SYN+ACK），但这个分节在一开始就传送过了（编号68023）；
  2. client端一直在重传自己的数据（编号68133~68295，68341~68720），因为server端没有对这些数据包回复ACK；
  3. client端没有发送过FIN、RST，后面就再也没有交互了，与TCP状态迁移图中结束连接的流程不一致。

server端处于一个很奇怪的状态：它收到了client端发来的数据包（因为client和server端的tcpdump里都看到了这些包），但是却全部不回复ACK。

3.3.1 不断重传SYN+ACK的解释

在一筹莫展的时候找贴吧的老同事讨论，以下为保护联系人隐私，将其化名森神。森神分享了一篇文章： http://www.nosa.me/2015/09/16/%E5%85%B3%E4%BA%8E-tcp-syn-%E9%98%9F%E5%88%97%E5%92%8C-accept-%E9%98%9F%E5%88%97/，里面提到了一个比较关键的思路：

  1. 若/proc/sys/net/ipv/tcp_abort_on_overflow为0且ACCEPT队列满，则WAIT队列队头的连接会丢弃它收到的ACK及数据包，如果它不忽略三次握手的第三个分节（ACK），则它会变成ESTABLISHED状态，这种状态要求它必须进入ACCEPT队列，这和ACCEPT队列已经满的现状冲突，所以它必须忽略三次握手的第三个分节；
  2. 当服务端的连接处于SYN_RECV状态时，它会一直尝试发送三次握手的第二个分节（SYN+ACK）给client端，因为服务端“可能”觉得自己没有进入ESTABLISHED状态的原因是client端没有发送ACK。这里说“可能”是因为我没找到直接证据，只是这种猜测和现象极其吻合。

这样Wireshark抓包的结果就有了一个解释：

  1. server端的连接在WAIT队列中，连接状态为SYN_RECV，这个时候三次握手第二分节（SYN+ACK）已经从server端发出，server端等待三次握手第三分节（ACK）；
  2. client端收到了SYN+ACK，（高兴地？）发送了三次握手第三分节（ACK）给server端；
  3. server端收到这个ACK后，看了一下ACCEPT队列，发现满了，所以不能接受这个ACK，直接丢弃掉，连接因此保持在SYN_RECV状态；
  4. 由于TCP的三次握手成功就认为建连成功，因此client端与server端在经过上述第3步后就产生了偏差，client端认为建连成功进入ESTABLISHED状态，server端认为建连没有成功处于SYN_RECV状态（实际是它自己把别人送给它的ACK给丢了）；
  5. client端进入ESTABLISHED状态，就开始发送数据包给server端，server端收到数据包后也会像没事一样直接丢弃（从tcpdump没看到server端对数据包回复ACK）；
  6. server端过了一会儿检查了连接，发现仍然处在SYN_RECV状态，认为是client端没有收到自己刚才发送的三次握手第二分节（SYN+ACK），于是又发送了一遍；
  7. client端突然收到了server端重发的SYN+ACK，礼貌性地回复了一个ACK，希望server端知道建连已经成功了（老铁）；
  8. 过了一段时间（在达到tcp_synack_retries次数前？），server端的ACCEPT队列终于有了位置，连接被从WAIT队列取出放到ACCEPT队列中，这个时候server端的连接才真正进入了ESTABLISHED状态，不会重发SYN+ACK；
  9. 然后诡异的是client端就没音讯了，server端由于处在阻塞读阶段，因此卡住。

上述行为的示意图如下：

client_server_retrans_illustration

这样就能解释连接在消失前的大部分行为了。

只剩最后一个硬骨头：client端的连接是怎么从ESTABLISHED直接变成CLOSED的？

4 最后的推论6

文过三巡，再复述一下推论6：TCP连接存在一种不发FIN或者RST就能使得连接直接关闭的方式。

现在问题不在于推论6是否正确，因为现象明确了推论6肯定是正确的，问题在于推论6在什么情况下才能够发生。

这里先直接说结论，Linux在发送超时重传达到给定次数后，便会直接释放连接，可以从ESTABLISHED直接变为CLOSED状态。

具体可以参见内核源码中的tcp_write_timeout函数（https://github.com/torvalds/linux/blob/ae50dfd61665086e617cc9e554a1285d52765670/net/ipv4/tcp_timer.c#L179），在判断所有重传都失败后会执行tcp_write_err。

在tcp_write_err中会执行tcp_done（https://github.com/torvalds/linux/blob/ae50dfd61665086e617cc9e554a1285d52765670/net/ipv4/tcp_timer.c#L34）：

static void tcp_write_err(struct sock * sk)
{
    sk->sk_err = sk->sk_err_soft ? : ETIMEDOUT;
    sk->sk_error_report(sk);

    tcp_done(sk);
    __NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONTIMEOUT);
}

最后再看看tcp_done里面干了什么（https://github.com/torvalds/linux/blob/d038e3dcfff6e3de132726a9c7174d8170032aa4/net/ipv4/tcp.c#L3281）：

void tcp_done(struct sock * sk)
{
    struct request_sock *req = tcp_sk(sk)->fastopen_rsk;

    if (sk->sk_state == TCP_SYN_SENT || sk->sk_state == TCP_SYN_RECV)
        TCP_INC_STATS(sock_net(sk), TCP_MIB_ATTEMPTFAILS);

    tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
    tcp_clear_xmit_timers(sk);
    if (req)
        reqsk_fastopen_remove(sk, req, false);

    sk->sk_shutdown = SHUTDOWN_MASK;

    if (!sock_flag(sk, SOCK_DEAD))
        sk->sk_state_change(sk);
    else
        inet_csk_destroy_sock(sk);
}

在里面会直接将连接的状态设置为CLOSED —— tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE)。

上面只是代码的冰山一角，而且实际在写这篇文章前我们是先构造出了场景确认行为后，再看代码。

为了方便观察，我们要构造以下的场景：

  1. 从client端的角度看，client端与server端要建连成功；
  2. client端因为建连成功，所以可以发送数据包，它需要不断重复发送一个数据包，直到重传超时；
  3. server端对所有的数据包都不予回应（不回复ACK）。

如果有兴趣亲身体会一下整个过程的，可以见下面4.1部分，没有兴趣的可以直接跳到4.2看构造的结果截图。

 

4.1 构造连接消失的场景

找两台能互相连通的机器，一台作为client端，一台作为server端，并确保你拥有一个足够权限的账户（例如root）来执行下列所有操作。

另外是请记下你的client端ip与server端ip，下面涉及到的命令中，请大家将“{client端ip}”替换成你们自己的client端ip地址，将“{server端ip}”替换成你们自己的server端ip地址。

同时下面在修改TCP参数前，可以通过cat命令记录一下修改前的数据，例如要修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，可以先通过cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1查看一下它原本的值是多少。

4.1.1 client端的准备工作

在client端使用gcc命令gcc client.c -o client编译以下代码，得到可执行的client文件：

// @file: client.c
#include <errno.h>
#include <memory.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>

#define BUFLEN 128

int main(int argc, char *argv[]) {
    // wait
    char c;
    scanf("%c", &c);

    struct addrinfo *ailist, *aip;
    struct addrinfo hint;
    int sockfd, err, n;
    memset(&hint, 0, sizeof(hint));
    hint.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    hint.ai_canonname = NULL;
    hint.ai_addr = NULL;
    hint.ai_next = NULL;
    if  (getaddrinfo("{server端ip}", "2095", &hint, &ailist) != 0
            || ailist == NULL) { // 请注意将上面的 {server端ip} 替换成你的server端对应ip
        printf("getaddrinfo failed.\n");
        return 1;
    }

    aip = ailist;
    sockfd = socket(aip->ai_family, aip->ai_socktype, aip->ai_protocol);
    if (sockfd == -1) {
        printf("Create socket failed.\n");
        return 2;
    }

    // connect
    err = connect(sockfd, aip->ai_addr, aip->ai_addrlen);
    if (err != 0) {
        printf("connect failed.\n");
        return 3;
    }

    char buf[BUFLEN] = "hello from c client\n\0";

    // send
    n = send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
    printf("Sent %d. Errno is %d\n", n, errno);

    // recv
    n = recv(sockfd, buf, BUFLEN, 0);
    printf("Received %d. Errno is %d\n", n, errno);

    return 0;
}

在client端命令行依次执行下列命令设置TCP参数（执行前可以先保存旧的参数值）：

root@client$ echo 3 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1
root@client$ echo 3 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2
root@client$ echo 3 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries
root@client$ echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries
root@client$

打开三个命令行的窗口，下面以窗口1~3称呼。

在client端窗口2先开启tcpdump进行抓包：

root@client$ tcpdump -i enp0s3 ip host {server端ip} -w client.cap
tcpdump: listening on ..., link-type ..., capture size ... bytes

需要注意的是上述的enp0s3请替换成你自己的网卡接口，普通的机器会是eth0等，可以通过ifconfig命令查看自己的client端ip对应的是那个网卡接口。

在client端窗口1运行编译好的client二进制文件，执行命令：./client。

这个时候client还没开始工作，等输入一个字符并回车后，client才开始于server通信（现在先别回车）。

在client端窗口3可以准备好这条命令date +’%F %T.%N’ && netstat -apn | grep ‘:2095’。这样在client、server开始通信后可以观察到TCP连接状态。

 

4.1.2 server端的准备工作

在server端通过gcc命令gcc server.c -o server编译以下代码得到可执行文件server：

// @file: server.c
#include <errno.h>
#include <memory.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>

int init_server()
{
    int err;
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0) {
        printf("Create socket error.\n");
        return sockfd;
    }

    int reuse = 1;
    if(setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse,
                sizeof(reuse)) < 0)
    {
        printf("setsockopt error\n");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(2095);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("{server端ip}"); // 记得将{server端ip}替换成自己的server端地址

    if((err = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr))) < 0)
    {
        close(sockfd);
        printf("Bind address error.\n");
        return -1;
    }

    if((err = listen(sockfd, 4)) < 0)
    {
        close(sockfd);
        printf("Listen error.\n");
        return -1;
    }

    return sockfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int listen_sock = init_server();
    if (listen_sock < 0) {
        printf("init server failed.\n");
        return -1;
    }

    int client_addr_len = 0;
    struct sockaddr_in client_addr;
    char buf[2048];
    int clientfd = accept(
            listen_sock,
            (struct sockaddr *)&client_addr,
            &client_addr_len);

    if (clientfd < 0) {
        printf("Accept client error\n");
        return -1;
    }

    while (1) {
        int n = read(clientfd, buf, 1024);
        if (n == 0) {
            printf("Client closed connection\n");
            return 0;
        }

        if (n < 0) {
            printf("Read socket error: %d, %s\n", errno, strerror(errno));
            return -1;
        }

        buf[n] = '\0';
        printf("%s", buf);
        fflush(stdout);

        n = write(clientfd, buf, n);
    }

    return 0;
}

在server端命令行执行下列命令设置TCP参数：

root@server$ echo 10 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries
root@server$

然后我们使用iptables命令使得server端对于来自client端的包进行全部丢弃，除了带SYN标记的包外。最后使用iptables -nL查看规则是否创建成功：

root@server$ iptables -I INPUT -s {client端ip} -p tcp -j DROP
root@server$ iptables -I INPUT -p tcp --tcp-flags ALL SYN -j ACCEPT
root@server$ iptables -nL
Chain INPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
ACCEPT     tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp flags:0x3F/0x02
DROP       tcp  --  {client端ip }        0.0.0.0/0

Chain FORWARD (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination

上面记得将命令中的client端ip地址进行替换。

然后打开两个窗口1~2。

在server端的窗口2开启tcpdump进行抓包：

root@server$ tcpdump -i enp0s3 ip host {client端ip地址} -w server.cap
tcpdump: listening on ..., link-type ... capture size ... bytes

同样的上面的enp0s3替换成你的server端ip对应的网卡接口，{client端ip}替换成你的client端地址。

在server端的窗口1中运行编译好的server二进制文件，执行命令：./server。

4.1.3 开始观察

下面我们就可以开始观察了，在client端的窗口1，敲入一个字符（一个字符就好），然后回车，client端就开始工作了，这个时候迅速切换到client端的窗口3，不断执行命令date +’%F %T.%N’ && netstat -apn | grep ‘:2095’，查看TCP连接的变化，就可以观察到连接从ESTABLISHED突然消失。

在连接消失后，分别到client端的窗口2与server端的窗口2按Ctrl-C终止tcpdump，这样我们就分别得到了两个抓包记录client.cap与server.cap，可以下载Wireshark软件

打开这两个包以client/server端角度观察TCP连接的整个过程。

观察结束后，就可以将TCP参数重置成你设置前的内容，或者直接重启系统。

对于server端的iptables设置，如果你确认直接没有其它iptables规则，那么可以通过命令iptables -F清除掉，如果不想清除所有规则，就一条一条对着删就行。

 

4.2 现象截图

通过4.1的步骤，在client端上不断使用netstat可以看到的现象如下：

client_netstat

连接从2017-03-29 17:37:54.726070386就为ESTABLISHED状态，一直持续到2017-03-29 17:37:59.524452336，然后在2017-03-29 17:37:59.890126826突然消失，中间没有经过任何其它状态。

再来看看tcpdump的结果，client.cap与server.cap观察到的是一样的，所以下面只贴出client.cap的结果：

client_wireshark

可能有人有疑问，不是说ESTABLISHED到CLOSED不发FIN或者RST吗，为什么图里面有个RST呢？

可以看一下这个RST发出的时间是2017-03-29 17:38:00.131660，而我们在client端上通过netstat看的连接在2017-03-29 17:37:59.890126826时就已经没有了，因此这个RST是在连接消失后才发送的，发送的原因就在于这个连接已经不存在了，但是server端还在尝试往该连接发送SYN+ACK，而操作系统直接就通过RST希望重置server端的连接。

结合netstat与tcpdump的结果，client端的连接确实在ESTABLISHED状态直接就变成CLOSED，而且转变之前不需要发送FIN或者RST。

另外一个细节是，在4.1.3中，client端代码在recv阶段会返回110错误，有一篇文章（http://blog.csdn.net/u010419967/article/details/24405037）进行了关键解释：

在程序中表现为，当tcp检测到对端socket不再可用时（不能发出探测包，或探测包没有收到ACK的响应包），select会返回socket可读，并且在recv时返回-1，同时置上errno为ETIMEDOUT。

关于超时重传更多代码上的分析，可以见源码，也可以与这篇博客一起对照查看：http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/35281345。

我们相当于从代码、现象两个角度证实了推论6。

5 结论

5.1 请求穿越的发生

  1. 该业务依赖的Redis是存储型的，在凌晨2点进行Background Rewrite，这个持续时间非常长，对Redis的读超时过长导致一瞬间大量Worker会卡在读Redis上；
  2. 该业务在凌晨2点时，由于进程处理速度过慢，导致ACCEPT队列中的连接被处理的速度非常慢；
  3. 当连接位于ACCEPT队列时，实际对于client端、server端而言三次握手就成功了（应用层不需要执行accept），因此client端此时就已经将数据发送到server端了，server将数据存在read buffer中；
  4. server端在应用层accept时，取到的连接有可能是在几秒或者几十秒前建立的，这时client端早已超时结束请求并打出日志，而server端发现可以从连接中读出数据，于是处理了请求并打出日志，造成了“请求穿越”的现象。

 

5.2 server端hung死的原因

  1. server端在抖动之后一直处于处理能力不足的状态，ACCEPT队列满，因此WAIT队列中的连接一直没法从SYN_RECV状态转换为ESTABLISHED状态，server端系统发现连接一直处于SYN_RECV状态，所以认为client端没有回复三次握手的第三个分节（ACK），因此不断重传SYN+ACK；
  2. client端一直在发送数据包，但由于server端设置了/proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow为0，因此在ACCEPT队列没有空位前，会丢弃掉自己接收到的ACK与数据包；
  3. client端一直没有收到server端对数据包的ACK，于是不断重传数据包，同样server端也因为自己处于SYN_RECV状态，不断重传SYN+ACK。现场一片混乱；
  4. 最终client端没有耐心了，底层判断连接的server端已经处于不可用状态，遂静默关闭一个ESTABLISHED状态的连接，没发RST与FIN，直接进入CLOSED状态；
  5. 而不幸的是此时server端的ACCEPT队列刚好有了空位，WAIT队列中这个连接转正进入了ACCEPT队列，因此server端不会再往client端发送SYN+ACK（这样client端就不会回复RST把连接reset掉），同时client端因为早就丢弃了连接也不会往server端发送数据包（这样server端连接的read buffer中就不会有数据）；
  6. 最终server端执行accept，执行完便立即执行recv，由于此时read buffer中无数据，所以server端就hung死了，也直接导致了在client端已经看不到连接，但在server端还能看到一个处于ESTABLISHED状态的连接。

可以看到上面最重要的是第5步的时机，client端刚好丢弃连接，server端连接刚好进入ACCEPT队列从而不发SYN+ACK避免了被reset。

6 解决方案

知道了整个事情的起因，解决方案就好说了：

  1. 该业务部适用存储型Redis，并对Redis的读超时进行更合理的设置；
  2. server端的连接开启keepalive，以确保出现极端情况时最终能恢复；
  3. 业务根据需求进行扩容或重构、迁移到具有更先进服务模型的方案上。

 

7 总结

对于不知道上述TCP知识的人（例如我）来说，这次追查真的是费尽九牛二虎之力，但也因为追查才了解到有WAIT队列、ACCEPT队列（应用层不用执行accept就建连成功）、ESTABLISHED直接到CLOSED状态等颠覆我以往认识的内容。

在线上机器中，为了内网连接的Fail Fast，会将tcp_retries2等参数调小，这样client端在发现连接不上时不会持续数分钟的发包重传，占用网络资源。当然实际各个TCP参数调成多少要根据线上环境决定。

以上内容都是出于我个人的观察总结，如果文中有任何地方描述有问题或者不完善，欢迎大家指出。

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