聊聊TCP連接耗時的那些事兒
在互聯網后端日常開發接口的時候中，不管你使用的是C、Java、PHP還是Golang，都避免不了需要調用mysql、redis等組件來獲取數據，可能還需要執行一些rpc遠程調用，或者再調用一些其它restful api。 在這些調用的底層，基本都是在使用TCP協議進行傳輸。這是因為在傳輸層協議中，TCP協議具備可靠的連接，錯誤重傳，擁塞控制等優點，所以目前應用比UDP更廣泛一些。
相信你也一定聽聞過TCP也存在一些缺點，那就是老生常談的開銷要略大。但是各路技術博客里都在單單說開銷大、或者開銷小，而少見不給出具體的量化分析。不客氣一點，這都是營養不大的廢話。經過日常工作的思考之后，我更想弄明白的是，開銷到底多大。一條TCP連接的建立需要耗時延遲多少，是多少毫秒，還是多少微秒?能不能有一個哪怕是粗略的量化估計?當然影響TCP耗時的因素有很多，比如網絡丟包等等。我今天只分享我在工作實踐中遇到的比較高發的各種情況。
一、正常TCP連接建立過程
要想搞清楚TCP連接的建立耗時，我們需要詳細了解連接的建立過程。在前文《圖解Linux網絡包接收過程》中我們介紹了數據包在接收端是怎么被接收的。數據包從發送方出來，經過網絡到達接收方的網卡。在接收方網卡將數據包DMA到RingBuffer后，內核經過硬中斷、軟中斷等機制來處理(如果發送的是用戶數據的話，最后會發送到socket的接收隊列中，并喚醒用戶進程)。
在軟中斷中，當一個包被內核從RingBuffer中摘下來的時候，在內核中是用struct sk_buff結構體來表示的(參見內核代碼include/linux/skbuff.h)。其中的data成員是接收到的數據，在協議棧逐層被處理的時候，通過修改指針指向data的不同位置，來找到每一層協議關心的數據。
對于TCP協議包來說，它的Header中有一個重要的字段-flags。如下圖：
通過設置不同的標記為，將TCP包分成SYNC、FIN、ACK、RST等類型。客戶端通過connect系統調用命令內核發出SYNC、ACK等包來實現和服務器TCP連接的建立。在服務器端，可能會接收許許多多的連接請求，內核還需要借助一些輔助數據結構-半連接隊列和全連接隊列。我們來看一下整個連接過程：
在這個連接過程中，我們來簡單分析一下每一步的耗時：
- 客戶端發出SYNC包：客戶端一般是通過connect系統調用來發出SYN的，這里牽涉到本機的系統調用和軟中斷的CPU耗時開銷
- SYN傳到服務器：SYN從客戶端網卡被發出，開始“跨過山和大海，也穿過人山人海......”，這是一次長途遠距離的網絡傳輸
- 服務器處理SYN包：內核通過軟中斷來收包，然后放到半連接隊列中，然后再發出SYN/ACK響應。又是CPU耗時開銷
- SYC/ACK傳到客戶端：SYC/ACK從服務器端被發出后，同樣跨過很多山、可能很多大海來到客戶端。又一次長途網絡跋涉
- 客戶端處理SYN/ACK：客戶端內核收包并處理SYN后，經過幾us的CPU處理，接著發出ACK。同樣是軟中斷處理開銷
- ACK傳到服務器：和SYN包，一樣，再經過幾乎同樣遠的路，傳輸一遍。 又一次長途網絡跋涉
- 服務端收到ACK：服務器端內核收到并處理ACK，然后把對應的連接從半連接隊列中取出來，然后放到全連接隊列中。一次軟中斷CPU開銷
- 服務器端用戶進程喚醒：正在被accpet系統調用阻塞的用戶進程被喚醒，然后從全連接隊列中取出來已經建立好的連接。一次上下文切換的CPU開銷
以上幾步操作，可以簡單劃分為兩類：
- 第一類是內核消耗CPU進行接收、發送或者是處理，包括系統調用、軟中斷和上下文切換。它們的耗時基本都是幾個us左右。
- 第二類是網絡傳輸，當包被從一臺機器上發出以后，中間要經過各式各樣的網線、各種交換機路由器。所以網絡傳輸的耗時相比本機的CPU處理，就要高的多了。根據網絡遠近一般在幾ms~到幾百ms不等。
1ms就等于1000us，因此網絡傳輸耗時比雙端的CPU開銷要高1000倍左右，甚至更高可能還到100000倍。所以，在正常的TCP連接的建立過程中，一般可以考慮網絡延時即可。一個RTT指的是包從一臺服務器到另外一臺服務器的一個來回的延遲時間。所以從全局來看，TCP連接建立的網絡耗時大約需要三次傳輸，再加上少許的雙方CPU開銷，總共大約比1.5倍RTT大一點點。不過從客戶端視角來看，只要ACK包發出了，內核就認為連接是建立成功了。所以如果在客戶端打點統計TCP連接建立耗時的話，只需要兩次傳輸耗時-既1個RTT多一點的時間。(對于服務器端視角來看同理，從SYN包收到開始算，到收到ACK，中間也是一次RTT耗時)
二、TCP連接建立時的異常情況
上一節可以看到在客戶端視角，在正常情況下一次TCP連接總的耗時也就就大約是一次網絡RTT的耗時。如果所有的事情都這么簡單，我想我的這次分享也就沒有必要了。事情不一定總是這么美好，總會有意外發生。在某些情況下，可能會導致連接時的網絡傳輸耗時上漲、CPU處理開銷增加、甚至是連接失敗?，F在我們說一下我在線上遇到過的各種溝溝坎坎。
1. 客戶端connect系統調用耗時失控
正常一個系統調用的耗時也就是幾個us(微秒)左右。但是在《追蹤將服務器CPU耗光的兇手!》一文中筆者的一臺服務器當時遇到一個狀況，某次運維同學轉達過來說該服務CPU不夠用了，需要擴容。當時的服務器監控如下圖：
該服務之前一直每秒抗2000左右的qps，CPU的idel一直有70%+。怎么突然就CPU一下就不夠用了呢。而且更奇怪的是CPU被打到谷底的那一段時間，負載卻并不高(服務器為4核機器，負載3-4是比較正常的)。 后來經過排查以后發現當TCP客戶端TIME_WAIT有30000左右，導致可用端口不是特別充足的時候，connect系統調用的CPU開銷直接上漲了100多倍，每次耗時達到了2500us(微秒)，達到了毫秒級別。
當遇到這種問題的時候，雖然TCP連接建立耗時只增加了2ms左右，整體TCP連接耗時看起來還可接受。但是這里的問題在于這2ms多都是在消耗CPU的周期，所以問題不小。 解決起來也非常簡單，辦法很多：修改內核參數net.ipv4.ip_local_port_range多預留一些端口號、改用長連接都可以。
2. 半/全連接隊列滿
如果連接建立的過程中，任意一個隊列滿了，那么客戶端發送過來的syn或者ack就會被丟棄?？蛻舳说却荛L一段時間無果后，然后會發出TCP Retransmission重傳。拿半連接隊列舉例：
要知道的是上面TCP握手超時重傳的時間是秒級別的。也就是說一旦server端的連接隊列導致連接建立不成功，那么光建立連接就至少需要秒級以上。而正常的在同機房的情況下只是不到1毫秒的事情，整整高了1000倍左右。尤其是對于給用戶提供實時服務的程序來說，用戶體驗將會受到較大影響。如果連重傳也沒有握手成功的話，很可能等不及二次重試，這個用戶訪問直接就超時了。
還有另外一個更壞的情況是，它還有可能會影響其它的用戶。假如你使用的是進程/線程池這種模型提供服務，比如php-fpm。我們知道fpm進程是阻塞的，當它響應一個用戶請求的時候，該進程是沒有辦法再響應其它請求的。假如你開了100個進程/線程，而某一段時間內有50個進程/線程卡在和redis或者mysql服務器的握手連接上了(注意：這個時候你的服務器是TCP連接的客戶端一方)。這一段時間內相當于你可以用的正常工作的進程/線程只有50個了。而這個50個worker可能根本處理不過來，這時候你的服務可能就會產生擁堵。再持續稍微時間長一點的話，可能就產生雪崩了，整個服務都有可能會受影響。
既然后果有可能這么嚴重，那么我們如何查看我們手頭的服務是否有因為半/全連接隊列滿的情況發生呢?在客戶端，可以抓包查看是否有SYN的TCP Retransmission。如果有偶發的TCP Retransmission，那就說明對應的服務端連接隊列可能有問題了。
在服務端的話，查看起來就更方便一些了。netstat -s可查看到當前系統半連接隊列滿導致的丟包統計，但該數字記錄的是總丟包數。你需要再借助watch命令動態監控。如果下面的數字在你監控的過程中變了，那說明當前服務器有因為半連接隊列滿而產生的丟包。你可能需要加大你的半連接隊列的長度了。
- $ watch 'netstat -s | grep LISTEN'
- 8 SYNs to LISTEN sockets ignored
對于全連接隊列來說呢，查看方法也類似。
- $ watch 'netstat -s | grep overflowed'
- 160 times the listen queue of a socket overflowed
如果你的服務因為隊列滿產生丟包，其中一個做法就是加大半/全連接隊列的長度。 半連接隊列長度Linux內核中，主要受tcp_max_syn_backlog影響 加大它到一個合適的值就可以。
- # cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
- 1024
- # echo "2048" > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
全連接隊列長度是應用程序調用listen時傳入的backlog以及內核參數net.core.somaxconn二者之中較小的那個。你可能需要同時調整你的應用程序和該內核參數。
- # cat /proc/sys/net/core/somaxconn
- 128
- # echo "256" > /proc/sys/net/core/somaxconn
改完之后我們可以通過ss命令輸出的Send-Q確認最終生效長度：
- $ ss -nlt
- Recv-Q Send-Q Local Address:Port Address:Port
- 0 128 *:80 *:*
Recv-Q告訴了我們當前該進程的全連接隊列使用長度情況。如果Recv-Q已經逼近了Send-Q,那么可能不需要等到丟包也應該準備加大你的全連接隊列了。
如果加大隊列后仍然有非常偶發的隊列溢出的話，我們可以暫且容忍。如果仍然有較長時間處理不過來怎么辦?另外一個做法就是直接報錯，不要讓客戶端超時等待。例如將Redis、Mysql等后端接口的內核參數tcp_abort_on_overflow為1。如果隊列滿了，直接發reset給client。告訴后端進程/線程不要癡情地傻等。這時候client會收到錯誤“connection reset by peer”。犧牲一個用戶的訪問請求，要比把整個站都搞崩了還是要強的。
三、TCP連接耗時實測
我寫了一段非常簡單的代碼，用來在客戶端統計每創建一個TCP連接需要消耗多長時間。
- <?php
- $ip = {服務器ip};
- $port = {服務器端口};
- $count = 50000;
- function buildConnect($ip,$port,$num){
- for($i=0;$i<$num;$i++){
- $socket = socket_create(AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_TCP);
- if($socket ==false) {
- echo "$ip $port socket_create() 失敗的原因是:".socket_strerror(socket_last_error($socket))."\n";
- sleep(5);
- continue;
- }
- if(false == socket_connect($socket, $ip, $port)){
- echo "$ip $port socket_connect() 失敗的原因是:".socket_strerror(socket_last_error($socket))."\n";
- sleep(5);
- continue;
- }
- socket_close($socket);
- }
- }
- $t1 = microtime(true);
- buildConnect($ip, $port, $count);
- echo (($t2-$t1)*1000).'ms';
在測試之前，我們需要本機linux可用的端口數充足，如果不夠50000個，最好調整充足。
- # echo "5000 65000" /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
1. 正常情況
注意：無論是客戶端還是服務器端都不要選擇有線上服務在跑的機器，否則你的測試可能會影響正常用戶訪問
首先我的客戶端位于河北懷來的IDC機房內，服務器選擇的是公司廣東機房的某臺機器。執行ping命令得到的延遲大約是37ms，使用上述腳本建立50000次連接后，得到的連接平均耗時也是37ms。這是因為前面我們說過的，對于客戶端來看，第三次的握手只要包發送出去，就認為是握手成功了，所以只需要一次RTT、兩次傳輸耗時。雖然這中間還會有客戶端和服務端的系統調用開銷、軟中斷開銷，但由于它們的開銷正常情況下只有幾個us(微秒)，所以對總的連接建立延時影響不大。
接下來我換了一臺目標服務器，該服務器所在機房位于北京。離懷來有一些距離，但是和廣東比起來可要近多了。這一次ping出來的RTT是1.6~1.7ms左右，在客戶端統計建立50000次連接后算出每條連接耗時是1.64ms。
再做一次實驗，這次選中實驗的服務器和客戶端直接位于同一個機房內，ping延遲在0.2ms~0.3ms左右。跑了以上腳本以后，實驗結果是50000 TCP連接總共消耗了11605ms，平均每次需要0.23ms。
線上架構提示：這里看到同機房延遲只有零點幾ms，但是跨個距離不遠的機房，光TCP握手耗時就漲了4倍。如果再要是跨地區到廣東，那就是百倍的耗時差距了。線上部署時，理想的方案是將自己服務依賴的各種mysql、redis等服務和自己部署在同一個地區、同一個機房(再變態一點，甚至可以是甚至是同一個機架)。因為這樣包括TCP鏈接建立啥的各種網絡包傳輸都要快很多。要盡可能避免長途跨地區機房的調用情況出現。
2. 連接隊列溢出
測試完了跨地區、跨機房和跨機器。這次為了快，直接和本機建立連接結果會咋樣呢?Ping本機ip或127.0.0.1的延遲大概是0.02ms，本機ip比其它機器RTT肯定要短。我覺得肯定連接會非常快，嗯實驗一下。連續建立5W TCP連接，總時間消耗27154ms，平均每次需要0.54ms左右。嗯!?怎么比跨機器還長很多? 有了前面的理論基礎，我們應該想到了，由于本機RTT太短，所以瞬間連接建立請求量很大，就會導致全連接隊列或者半連接隊列被打滿的情況。一旦發生隊列滿，當時撞上的那個連接請求就得需要3秒+的連接建立延時。所以上面的實驗結果中，平均耗時看起來比RTT高很多。
在實驗的過程中，我使用tcpdump抓包看到了下面的一幕。原來有少部分握手耗時3s+，原因是半連接隊列滿了導致客戶端等待超時后進行了SYN的重傳。
我們又重新改成每500個連接，sleep 1秒。嗯好，終于沒有卡的了(或者也可以加大連接隊列長度)。結論是本機50000次TCP連接在客戶端統計總耗時102399 ms，減去sleep的100秒后，平均每個TCP連接消耗0.048ms。比ping延遲略高一些。這是因為當RTT變的足夠小的時候，內核CPU耗時開銷就會顯現出來了，另外TCP連接要比ping的icmp協議更復雜一些，所以比ping延遲略高0.02ms左右比較正常。
四、結論
TCP連接建立異常情況下，可能需要好幾秒，一個壞處就是會影響用戶體驗，甚至導致當前用戶訪問超時都有可能。另外一個壞處是可能會誘發雪崩。所以當你的服務器使用短連接的方式訪問數據的時候，一定要學會要監控你的服務器的連接建立是否有異常狀態發生。如果有，學會優化掉它。當然你也可以采用本機內存緩存，或者使用連接池來保持長連接，通過這兩種方式直接避免掉TCP握手揮手的各種開銷也可以。
再說正常情況下，TCP建立的延時大約就是兩臺機器之間的一個RTT耗時，這是避免不了的。但是你可以控制兩臺機器之間的物理距離來降低這個RTT，比如把你要訪問的redis盡可能地部署的離后端接口機器近一點，這樣RTT也能從幾十ms削減到最低可能零點幾ms。
最后我們再思考一下，如果我們把服務器部署在北京，給紐約的用戶訪問可行嗎? 前面的我們同機房也好，跨機房也好，電信號傳輸的耗時基本可以忽略(因為物理距離很近)，網絡延遲基本上是轉發設備占用的耗時。但是如果是跨越了半個地球的話，電信號的傳輸耗時我們可得算一算了。 北京到紐約的球面距離大概是15000公里，那么拋開設備轉發延遲，僅僅光速傳播一個來回(RTT是Rround trip time，要跑兩次)，需要時間 = 15,000,000 *2 / 光速 = 100ms。實際的延遲可能比這個還要大一些，一般都得200ms以上。建立在這個延遲上，要想提供用戶能訪問的秒級服務就很困難了。所以對于海外用戶，最好都要在當地建機房或者購買海外的服務器。
