TCP time_wait详解

TIME_WAIT状态
TCP要保证在所有可能的情况下使得所有的数据都能够正确被投递。
当关闭一个 socket 连接时，主动关闭一端的 socket 将进入TIME_WAIT状态，而被动关闭一方则转入CLOSED状态。
当一个socket关闭的时候，是通过两端互发信息的四次握手过程完成的，当一端调用close()时，就说明本端没有数据再要发送了。这好似看来在握手完成以后，socket就都应该处于关闭CLOSED状态了。但这有两个问题，
第一：我们没有任何机制保证最后的一个ACK能够正常送达
第二：网络上仍然有可能有残余的数据包(wandering duplicates，或老的重复数据包)，我们也必须能够正常处理。
假设最后一个ACK丢失了，服务器会重发它发送的最后一个FIN，所以客户端必须维持一个状态信息，以便能够重发ACK；如果不维持这种状态，客户端在接收到FIN后将会响应一个RST，服务器端接收到RST后会认为这是一个错误。如果TCP协议能够正常完成必要的操作而终止双方的数据流传输，就必须完全正确的传输四次握手的四个节，不能有任何的丢失。这就是为什么socket在关闭后，仍然处于 TIME_WAIT状态，因为他要等待以便重发ACK。
如果目前连接的通信双方都已经调用了close()，假定双方都到达CLOSED状态，而没有TIME_WAIT状态时，就会出现如下的情况。现在有一个新的连接被建立起来，使用的IP地址与端口与先前的完全相同，后建立的连接又称作是原先连接的一个化身。还假定原先的连接中有数据报残存于网络之中，这样新的连接收到的数据报中有可能是先前连接的数据报。为了防止这一点，TCP不允许从处于TIME_WAIT状态的socket建立一个连接。处于TIME_WAIT状态的socket在等待两倍的MSL时间以后（MSL：最大分段生存期，指明TCP报文在Internet上最长生存时间，每个具体的TCP实现 都必须选择一个确定的MSL值。RFC 1122建议是2分钟，但BSD传统实现采用了30秒。TIME_WAIT 状态最大保持时间是2 * MSL，也就是1-4分钟。之所以是两倍的MSL，是由于MSL是一个数据报文在网络中单向发出到认定丢失的时间，一个数据报文有可能在发送途中或是其响应过程中成为残余数据报文，确认一个数据报文及其响应的丢弃的需要两倍的MSL），将会转变为CLOSED状态。这就意味着，一个成功建立的连接，必然使得先前网络中残余的数据报都丢了。
由于TIME_WAIT状态所带来的相关问题，我们可以通过设置SO_LINGER标志来避免socket进入TIME_WAIT状态，这可以通过发送RST而取代正常的TCP四次握手的终止方式。但这并不是一个很好的主意，TIME_WAIT对于我们来说往往是有利的。

TIME_WAIT状态对HTTP影响
根据TCP协议，主动发起关闭的一方，会进入TIME_WAIT状态，持续2*MSL(Max Segment Lifetime)，默认为240秒，在这个post中简洁的介绍了为什么需要这个状态。
值得一说的是，对于基于TCP的HTTP协议，关闭TCP连接的是Server端，这样，Server端会进入TIME_WAIT状态，可想而知，对于访问量大的Web Server，会存在大量的TIME_WAIT状态，假如server一秒钟接收1000个请求，那么就会积压240*1000=240，000个TIME_WAIT的记录，维护这些状态给Server带来负担。当然现代操作系统都会用快速的查找算法来管理这些TIME_WAIT，所以对于新的TCP连接请求，判断是否hit中一个TIME_WAIT不会太费时间，但是有这么多状态要维护总是不好。
HTTP协议1.1版规定default行为是Keep-Alive，也就是会重用TCP连接传输多个request/response，一个主要原因就是发现了这个问题。还有一个方法减缓TIME_WAIT压力就是把系统的2*MSL时间减少，因为240秒的时间实在是忒长了点，对于Windows，修改注册表，在HKEY_LOCAL_MACHINE\ SYSTEM\CurrentControlSet\Services\ Tcpip\Parameters上添加一个DWORD类型的值TcpTimedWaitDelay，一般认为不要少于60，不然可能会有麻烦。
对于大型的服务，一台server搞不定，需要一个LB(Load Balancer)把流量分配到若干后端服务器上，如果这个LB是以NAT方式工作的话，可能会带来问题。假如所有从LB到后端Server的IP包的source address都是一样的(LB的对内地址），那么LB到后端Server的TCP连接会受限制，因为频繁的TCP连接建立和关闭，会在server上留下TIME_WAIT状态，而且这些状态对应的remote address都是LB的，LB的source port撑死也就60000多个(2^16=65536,1~1023是保留端口，还有一些其他端口缺省也不会用），每个LB上的端口一旦进入Server的TIME_WAIT黑名单，就有240秒不能再用来建立和Server的连接，这样LB和Server最多也就能支持300个左右的连接。如果没有LB，不会有这个问题，因为这样server看到的remote address是internet上广阔无垠的集合，对每个address，60000多个port实在是够用了。
一开始我觉得用上LB会很大程度上限制TCP的连接数，但是实验表明没这回事，LB后面的一台Windows Server 2003每秒处理请求数照样达到了600个，难道TIME_WAIT状态没起作用？用Net Monitor和netstat观察后发现，Server和LB的XXXX端口之间的连接进入TIME_WAIT状态后，再来一个LB的XXXX端口的SYN包，Server照样接收处理了，而是想像的那样被drop掉了。翻书，从书堆里面找出覆满尘土的大学时代买的《UNIX Network Programming, Volume 1, Second Edition: Networking APIs: Sockets and XTI》，中间提到一句，对于BSD-derived实现，只要SYN的sequence number比上一次关闭时的最大sequence number还要大，那么TIME_WAIT状态一样接受这个SYN，难不成Windows也算BSD-derived?有了这点线索和关键字(BSD)，找到这个post，在NT4.0的时候，还是和BSD-derived不一样的，不过Windows Server 2003已经是NT5.2了，也许有点差别了。
做个试验，用Socket API编一个Client端，每次都Bind到本地一个端口比如2345，重复的建立TCP连接往一个Server发送Keep-Alive=false的HTTP请求，Windows的实现让sequence number不断的增长，所以虽然Server对于Client的2345端口连接保持TIME_WAIT状态，但是总是能够接受新的请求，不会拒绝。那如果SYN的Sequence Number变小会怎么样呢？同样用Socket API，不过这次用Raw IP，发送一个小sequence number的SYN包过去，Net Monitor里面看到，这个SYN被Server接收后如泥牛如海，一点反应没有，被drop掉了。
按照书上的说法，BSD-derived和Windows Server 2003的做法有安全隐患，不过至少这样至少不会出现TIME_WAIT阻止TCP请求的问题，当然，客户端要配合，保证不同TCP连接的sequence number要上涨不要下降。