网站推广与品牌建设,cms开发教程,wordpress搬家后404,物联网手机app开发软件“ 本文作者张彦飞#xff0c;原题“聊聊TCP连接耗时的那些事儿”#xff0c;本次收录已征得作者同意#xff0c;转载请联系作者。即时通讯网收录时有少许改动。本文已同步发布于52im社区#xff1a;http://www.52im.net/thread-3265-1-1.html(1、引言对于基于互联网的通信… “ 本文作者张彦飞原题“聊聊TCP连接耗时的那些事儿”本次收录已征得作者同意转载请联系作者。即时通讯网收录时有少许改动。本文已同步发布于52im社区http://www.52im.net/thread-3265-1-1.html(1、引言对于基于互联网的通信应用(包括IM聊天、推送系统在内)数据传递时使用TCP协议相对较多。这是因为在TCP/IP协议簇的传输层协议中TCP协议具备可靠的连接、错误重传、拥塞控制等优点所以目前在应用场景上比UDP更广泛一些。相信你也一定听闻过TCP也存在一些缺点能常都是老生常谈的开销要略大。但是各路技术博客里都在单单说开销大、或者开销小而少见不给出具体的量化分析。不客气的讲类似论述都是没什么营养的废话。经过日常工作的思考之后我更想弄明白的是TCP的开销到底有多大能否进行量化。一条TCP连接的建立需要耗时延迟多少是多少毫秒还是多少微秒能不能有一个哪怕是粗略的量化估计当然影响TCP耗时的因素有很多比如网络丢包等等。我今天只分享我在工作实践中遇到的比较高发的各种情况。写在前面得益于Linux内核的开源本文中所提及的底层以及具体的内核级代码例子都是以Linux系统为例。本文已同步发布于“即时通讯技术圈”公众号欢迎关注。公众号上的链接是点此进入。2、系列文章本文是系列文章中的第11篇本系列文章的大纲如下《不为人知的网络编程(一)浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》《不为人知的网络编程(二)浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》《不为人知的网络编程(三)关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》《不为人知的网络编程(四)深入研究分析TCP的异常关闭》《不为人知的网络编程(五)UDP的连接性和负载均衡》《不为人知的网络编程(六)深入地理解UDP协议并用好它》《不为人知的网络编程(七)如何让不可靠的UDP变的可靠》《不为人知的网络编程(八)从数据传输层深度解密HTTP》《不为人知的网络编程(九)理论联系实际全方位深入理解DNS》《不为人知的网络编程(十)深入操作系统从内核理解网络包的接收过程(Linux篇)》《不为人知的网络编程(十一)从底层入手深度分析TCP连接耗时的秘密》(本文)3、理想情况下的TCP连接耗时分析要想搞清楚TCP连接的耗时我们需要详细了解连接的建立过程。在前文《深入操作系统从内核理解网络包的接收过程(Linux篇)》中我们介绍了数据包在接收端是怎么被接收的数据包从发送方出来经过网络到达接收方的网卡在接收方网卡将数据包DMA到RingBuffer后内核经过硬中断、软中断等机制来处理(如果发送的是用户数据的话最后会发送到socket的接收队列中并唤醒用户进程)。在软中断中当一个包被内核从RingBuffer中摘下来的时候在内核中是用struct sk_buff结构体来表示的(参见内核代码include/linux/skbuff.h)。其中的data成员是接收到的数据在协议栈逐层被处理的时候通过修改指针指向data的不同位置来找到每一层协议关心的数据。对于TCP协议包来说它的Header中有一个重要的字段-flags。如下图通过设置不同的标记侠将TCP包分成SYNC、FIN、ACK、RST等类型1)客户端通过connect系统调用命令内核发出SYNC、ACK等包来实现和服务器TCP连接的建立2)在服务器端可能会接收许许多多的连接请求内核还需要借助一些辅助数据结构-半连接队列和全连接队列。我们来看一下整个连接过程在这个连接过程中我们来简单分析一下每一步的耗时1)客户端发出SYNC包客户端一般是通过connect系统调用来发出SYN的这里牵涉到本机的系统调用和软中断的CPU耗时开销2)SYN传到服务器SYN从客户端网卡被发出开始“跨过山和大海也穿过人山人海......”这是一次长途远距离的网络传输3)服务器处理SYN包内核通过软中断来收包然后放到半连接队列中然后再发出SYN/ACK响应。又是CPU耗时开销4)SYC/ACK传到客户端SYC/ACK从服务器端被发出后同样跨过很多山、可能很多大海来到客户端。又一次长途网络跋涉5)客户端处理SYN/ACK客户端内核收包并处理SYN后经过几us的CPU处理接着发出ACK。同样是软中断处理开销6)ACK传到服务器和SYN包一样再经过几乎同样远的路传输一遍。又一次长途网络跋涉7)服务端收到ACK服务器端内核收到并处理ACK然后把对应的连接从半连接队列中取出来然后放到全连接队列中。一次软中断CPU开销8)服务器端用户进程唤醒正在被accpet系统调用阻塞的用户进程被唤醒然后从全连接队列中取出来已经建立好的连接。一次上下文切换的CPU开销。以上几步操作可以简单划分为两类第一类是内核消耗CPU进行接收、发送或者是处理包括系统调用、软中断和上下文切换。它们的耗时基本都是几个us左右第二类是网络传输当包被从一台机器上发出以后中间要经过各式各样的网线、各种交换机路由器。所以网络传输的耗时相比本机的CPU处理就要高的多了。根据网络远近一般在几ms~到几百ms不等。1ms就等于1000us因此网络传输耗时比双端的CPU开销要高1000倍左右甚至更高可能还到100000倍。所以在正常的TCP连接的建立过程中一般考虑网络延时即可。PS一个RTT指的是包从一台服务器到另外一台服务器的一个来回的延迟时间。所以从全局来看TCP连接建立的网络耗时大约需要三次传输再加上少许的双方CPU开销总共大约比1.5倍RTT大一点点。不过从客户端视角来看只要ACK包发出了内核就认为连接是建立成功了。所以如果在客户端打点统计TCP连接建立耗时的话只需要两次传输耗时-既1个RTT多一点的时间。(对于服务器端视角来看同理从SYN包收到开始算到收到ACK中间也是一次RTT耗时)。4、极端情况下的TCP连接耗时分析上一节可以看到在客户端视角正常情况下一次TCP连接总的耗时也就就大约是一次网络RTT的耗时。如果所有的事情都这么简单我想我的这次分享也就没有必要了。事情不一定总是这么美好意外的发生在所难免。在某些情况下可能会导致TCP连接时的网络传输耗时上涨、CPU处理开销增加、甚至是连接失败。本节将就我在线上遇到过的各种切身体会的沟沟坎坎来分析一下极端情况下的TCP连接耗时情况。4.1客户端connect调用耗时失控案例正常一个系统调用的耗时也就是几个us(微秒)左右。但是在我的《追踪将服务器CPU耗光的凶手!》一文中笔者的一台服务器当时遇到一个状况某次运维同学转达过来说该服务CPU不够用了需要扩容。当时的服务器监控如下图该服务之前一直每秒抗2000左右的qpsCPU的idel一直有70%怎么突然就CPU一下就不够用了呢。而且更奇怪的是CPU被打到谷底的那一段时间负载却并不高(服务器为4核机器负载3-4是比较正常的)。后来经过排查以后发现当TCP客户端TIME_WAIT有30000左右导致可用端口不是特别充足的时候connect系统调用的CPU开销直接上涨了100多倍每次耗时达到了2500us(微秒)达到了毫秒级别。当遇到这种问题的时候虽然TCP连接建立耗时只增加了2ms左右整体TCP连接耗时看起来还可接受。但这里的问题在于这2ms多都是在消耗CPU的周期所以问题不小。解决起来也非常简单办法很多修改内核参数net.ipv4.ip_local_port_range多预留一些端口号、改用长连接都可以。4.2TCP半/全连接队列满的案例如果连接建立的过程中任意一个队列满了那么客户端发送过来的syn或者ack就会被丢弃。客户端等待很长一段时间无果后然后会发出TCP Retransmission重传。拿半连接队列举例要知道的是上面TCP握手超时重传的时间是秒级别的。也就是说一旦server端的连接队列导致连接建立不成功那么光建立连接就至少需要秒级以上。而正常的在同机房的情况下只是不到1毫秒的事情整整高了1000倍左右。尤其是对于给用户提供实时服务的程序来说用户体验将会受到较大影响。如果连重传也没有握手成功的话很可能等不及二次重试这个用户访问直接就超时了。还有另外一个更坏的情况是它还有可能会影响其它的用户。假如你使用的是进程/线程池这种模型提供服务比如php-fpm。我们知道fpm进程是阻塞的当它响应一个用户请求的时候该进程是没有办法再响应其它请求的。假如你开了100个进程/线程而某一段时间内有50个进程/线程卡在和redis或者mysql服务器的握手连接上了(注意这个时候你的服务器是TCP连接的客户端一方)。这一段时间内相当于你可以用的正常工作的进程/线程只有50个了。而这个50个worker可能根本处理不过来这时候你的服务可能就会产生拥堵。再持续稍微时间长一点的话可能就产生雪崩了整个服务都有可能会受影响。既然后果有可能这么严重那么我们如何查看我们手头的服务是否有因为半/全连接队列满的情况发生呢在客户端可以抓包查看是否有SYN的TCP Retransmission。如果有偶发的TCP Retransmission那就说明对应的服务端连接队列可能有问题了。在服务端的话查看起来就更方便一些了。netstat -s 可查看到当前系统半连接队列满导致的丢包统计但该数字记录的是总丢包数。你需要再借助 watch 命令动态监控。如果下面的数字在你监控的过程中变了那说明当前服务器有因为半连接队列满而产生的丢包。你可能需要加大你的半连接队列的长度了。$ watch netstat -s | grep LISTEN 8 SYNs to LISTEN sockets ignored对于全连接队列来说呢查看方法也类似$ watch netstat -s | grep overflowed 160 times the listen queue of a socket overflowed如果你的服务因为队列满产生丢包其中一个做法就是加大半/全连接队列的长度。半连接队列长度Linux内核中主要受tcp_max_syn_backlog影响 加大它到一个合适的值就可以。# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog1024# echo 2048 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog全连接队列长度是应用程序调用listen时传入的backlog以及内核参数net.core.somaxconn二者之中较小的那个。你可能需要同时调整你的应用程序和该内核参数。# cat /proc/sys/net/core/somaxconn128# echo 256 /proc/sys/net/core/somaxconn改完之后我们可以通过ss命令输出的Send-Q确认最终生效长度$ ss -nltRecv-Q Send-Q Local Address:Port Address:Port0 128 *:80 *:*Recv-Q告诉了我们当前该进程的全连接队列使用长度情况。如果Recv-Q已经逼近了Send-Q,那么可能不需要等到丢包也应该准备加大你的全连接队列了。如果加大队列后仍然有非常偶发的队列溢出的话我们可以暂且容忍。如果仍然有较长时间处理不过来怎么办另外一个做法就是直接报错不要让客户端超时等待。例如将Redis、Mysql等后端接口的内核参数tcp_abort_on_overflow为1。如果队列满了直接发reset给client。告诉后端进程/线程不要痴情地傻等。这时候client会收到错误“connection reset by peer”。牺牲一个用户的访问请求要比把整个站都搞崩了还是要强的。5、TCP连接耗时实测分析5.1测试前的准备我写了一段非常简单的代码用来在客户端统计每创建一个TCP连接需要消耗多长时间。?php $ip {服务器ip};$port {服务器端口};$count 50000;function buildConnect($ip,$port,$num){ for($i0;$i$num;$i){ $socket socket_create(AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_TCP); if($socket false) { echo $ip $port socket_create() 失败的原因是:.socket_strerror(socket_last_error($socket)).\n; sleep(5); continue; } if(false socket_connect($socket, $ip, $port)){ echo $ip $port socket_connect() 失败的原因是:.socket_strerror(socket_last_error($socket)).\n; sleep(5); continue; } socket_close($socket); }} $t1 microtime(true);buildConnect($ip, $port, $count);echo (($t2-$t1)*1000).ms;在测试之前我们需要本机linux可用的端口数充足如果不够50000个最好调整充足。# echo 5000 65000 /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range5.2正常情况下的测试注意无论是客户端还是服务器端都不要选择有线上服务在跑的机器否则你的测试可能会影响正常用户访问首先我的客户端位于河北怀来的IDC机房内服务器选择的是公司广东机房的某台机器。执行ping命令得到的延迟大约是37ms使用上述脚本建立50000次连接后得到的连接平均耗时也是37ms。这是因为前面我们说过的对于客户端来看第三次的握手只要包发送出去就认为是握手成功了所以只需要一次RTT、两次传输耗时。虽然这中间还会有客户端和服务端的系统调用开销、软中断开销但由于它们的开销正常情况下只有几个us(微秒)所以对总的连接建立延时影响不大。接下来我换了一台目标服务器该服务器所在机房位于北京。离怀来有一些距离但是和广东比起来可要近多了。这一次ping出来的RTT是1.6~1.7ms左右在客户端统计建立50000次连接后算出每条连接耗时是1.64ms。再做一次实验这次选中实验的服务器和客户端直接位于同一个机房内ping延迟在0.2ms~0.3ms左右。跑了以上脚本以后实验结果是50000 TCP连接总共消耗了11605ms平均每次需要0.23ms。线上架构提示这里看到同机房延迟只有零点几ms但是跨个距离不远的机房光TCP握手耗时就涨了4倍。如果再要是跨地区到广东那就是百倍的耗时差距了。线上部署时理想的方案是将自己服务依赖的各种mysql、redis等服务和自己部署在同一个地区、同一个机房(再变态一点甚至可以是甚至是同一个机架)。因为这样包括TCP链接建立啥的各种网络包传输都要快很多。要尽可能避免长途跨地区机房的调用情况出现。5.3TCP连接队列溢出情况下的测试测试完了跨地区、跨机房和跨机器。这次为了快直接和本机建立连接结果会咋样呢Ping本机ip或127.0.0.1的延迟大概是0.02ms本机ip比其它机器RTT肯定要短。我觉得肯定连接会非常快嗯实验一下。连续建立5W TCP连接总时间消耗27154ms平均每次需要0.54ms左右。嗯怎么比跨机器还长很多有了前面的理论基础我们应该想到了由于本机RTT太短所以瞬间连接建立请求量很大就会导致全连接队列或者半连接队列被打满的情况。一旦发生队列满当时撞上的那个连接请求就得需要3秒的连接建立延时。所以上面的实验结果中平均耗时看起来比RTT高很多。在实验的过程中我使用tcpdump抓包看到了下面的一幕。原来有少部分握手耗时3s原因是半连接队列满了导致客户端等待超时后进行了SYN的重传。我们又重新改成每500个连接sleep 1秒。嗯好终于没有卡的了(或者也可以加大连接队列长度)。结论是本机50000次TCP连接在客户端统计总耗时102399 ms减去sleep的100秒后平均每个TCP连接消耗0.048ms。比ping延迟略高一些。这是因为当RTT变的足够小的时候内核CPU耗时开销就会显现出来了另外TCP连接要比ping的icmp协议更复杂一些所以比ping延迟略高0.02ms左右比较正常。6、本文小结TCP连接在建立异常的情况下可能需要好几秒一个坏处就是会影响用户体验甚至导致当前用户访问超时都有可能。另外一个坏处是可能会诱发雪崩。所以当你的服务器使用短连接的方式访问数据的时候一定要学会要监控你的服务器的连接建立是否有异常状态发生。如果有学会优化掉它。当然你也可以采用本机内存缓存或者使用连接池来保持长连接通过这两种方式直接避免掉TCP握手挥手的各种开销也可以。再说正常情况下TCP建立的延时大约就是两台机器之间的一个RTT耗时这是避免不了的。但是你可以控制两台机器之间的物理距离来降低这个RTT比如把你要访问的redis尽可能地部署的离后端接口机器近一点这样RTT也能从几十ms削减到最低可能零点几ms。最后我们再思考一下如果我们把服务器部署在北京给纽约的用户访问可行吗前面的我们同机房也好跨机房也好电信号传输的耗时基本可以忽略(因为物理距离很近)网络延迟基本上是转发设备占用的耗时。但是如果是跨越了半个地球的话电信号的传输耗时我们可得算一算了。北京到纽约的球面距离大概是15000公里那么抛开设备转发延迟仅仅光速传播一个来回(RTT是Rround trip time要跑两次)需要时间 15,000,000 *2 / 光速 100ms。实际的延迟可能比这个还要大一些一般都得200ms以上。建立在这个延迟上要想提供用户能访问的秒级服务就很困难了。所以对于海外用户最好都要在当地建机房或者购买海外的服务器。
