[译] TCP的SYN队列和Accept队列

关于两个队列

整体流程图

首先我们必须明白,处于“LISTENING”状态的TCP socket,有两个独立的队列:

  • SYN队列(SYN Queue)
  • Accept队列(Accept Queue)

这两个术语有时也被称为“reqsk_queue”,“ACK backlog”,“listen backlog”,甚至“TCP backlog”,但是这篇文章中我们使用上面两个术语以免造成混淆。

SYN队列

SYN队列存储了收到SYN包的连接(对应内核代码的结构体:struct inet_request_sock)。它的职责是回复SYN+ACK包,并且在没有收到ACK包时重传,直到超时。在Linux下,重传的次数为:

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$ sysctl net.ipv4.tcp_synack_retries
net.ipv4.tcp_synack_retries = 5

文档中对tcp_synack_retries的描述如下:

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5
tcp_synack_retries - int整型

对于一个被动TCP连接,重传SYNACKs的次数。该值不能超过255。
默认值为5,如果初始RTO是1秒,那么对应的最后一次重传是31秒。
对应的最后一次超时是63秒之后。

发送完SYN+ACK之后,SYN队列等待从客户端发出的ACK包(也即三次握手的最后一个包)。当收到ACK包时,首先找到对应的SYN队列,再在对应的SYN队列中检查相关的数据看是否匹配,如果匹配,内核将该连接相关的数据从SYN队列中移除,创建一个完整的连接(对应内核代码的结构体:struct inet_sock),并将这个连接加入Accept队列。

Accept队列

Accept队列中存放的是已建立好的连接,也即等待被上层应用程序取走的连接。当进程调用accept(),这个socket从队列中取出,传递给上层应用程序。

这就是Linux处理SYN包的一个简单描述。顺便一提,当socket开启了TCP_DEFER_ACCEPTTCP_FASTOPEN时,工作方式将会有细微不同,本文不做介绍。

队列大小限制

应用程序通过调用系统调用listen(2),传入backlog参数,来设置SYN队列和Accept队列的最大大小。比如下面这样,将SYN队列和Accept队列的最大大小同时设置为1024:

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listen(sfd, 1024)

注意,在4.3版本之前的内核,SYN队列的大小是用另一种方式计算。

SYN队列的最大大小以前是用net.ipv4.tcp_max_syn_backlog来配置,但是现在已经不再使用了。现在用net.core.somaxconn来同时表示SYN队列和Accept队列的最大大小。在我们的服务器上,我们将它设置为16k:

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$ sysctl net.core.somaxconn
net.core.somaxconn = 16384

队列设置为多大合适

知道了上面这些信息后,你可能会问,队列设置为多大合适?

答案是:看情况。对于大多数的TCP服务来说,这并不太重要。比如,Go语言1.11版本之前,并没有提供设置队列大小的方法。

尽管如此,也存在一些合理的原因,需要增大队列的大小:

  • 当建立连接的请求速度确实很大时,即使是对于一个高性能的服务来说,SYN队列也可能需要设置的大一些。
  • SYN队列的大小,换言之就是等待ACK包的连接数。也即与客户端的平均往返时间越大,堆积在SYN队列中的连接就越多。对于那些大部分客户端都距离服务器很远的场景,比如说往返时间几百毫秒以上,可以将队列大小设置的大一些。
  • TCP_DEFER_ACCEPT选项如果打开了,会导致socket在SYN-RECV状态下维持更长的时间,也即增大了处于SYN队列中的时间。

但是,将backlog设置的过大也会带来不好的影响:

  • SYN队列中的每一个槽位都需要占用一些内存。当遇到SYN Flood攻击时,我们没有必要为这些发起攻击的包浪费资源。SYN队列中的inet_request_sock结构体,在4.14内核下,每个将占用256字节的内存。

linux下,如果想查看SYN队列的当前状态,我们可以使用ss命令来查询SYN-RECV状态的socket。比如如下执行结果,表示80端口的SYN队列中当前有119个元素,443端口则为78。

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$ ss -n state syn-recv sport = :80 | wc -l
119
$ ss -n state syn-recv sport = :443 | wc -l
78

还可以通过我们的SystemTap脚本来观察这个数据:resq.stp

假如程序调用accept()不够快?

队列满图

如果程序调用accept()不够快会发生什么呢?

  • 后续收到的SYN包,不会被SYN队列处理
  • 后续收到的(用于建立连接的)ACK包,不会被SYN队列处理
  • TcpExtListenOverflows / LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS计数增加
  • TcpExtListenDrops / LINUX_MIB_LISTENDROPS计数增加

发生这种情况时,我们只能寄希望于程序的处理性能稍后能恢复正常,客户端重新发送被服务端丢弃的包。

内核的这种表现对于大部分服务来说是可接受的。顺便一提,可以通过调整net.ipv4.tcp_abort_on_overflow这个全局参数来修改这种表现,但是最好还是不要改这个参数。

可以通过查看nstat的计数来观察Accept队列溢出的状态:

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$ nstat -az TcpExtListenDrops
TcpExtListenDrops 49199 0.0

但是这是一个全局的计数。观察起来不够直观,比如有时我们观察到它在增长,但是所有的服务程序看起来都是正常的。此时我们可以使用ss命令来观察单个监听端口的Accept队列大小:

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$ ss -plnt sport = :6443|cat
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
LISTEN 0 1024 *:6443 *:*

Recv-Q这一列显示的是处于Accept队列中的socket数量,Send-Q显示的是队列的最大大小。在上面的例子中,我们发现并没有未被程序accept()的socket,但是我们依然发现ListenDrops计数在增长。

这是因为我们的程序只是周期性的短暂卡住不处理新的连接,而非永久性的不处理,过段时间程序又恢复了正常。这种情况下,用ss命令比较难观察这种现象,因此我们写了一个SystemTap脚本,它会hook进内核,把被丢弃的SYN包打印出来:

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$ sudo stap -v acceptq.stp
time (us) acceptq qmax local addr remote_addr
1495634198449075 1025 1024 0.0.0.0:6443 10.0.1.92:28585
1495634198449253 1025 1024 0.0.0.0:6443 10.0.1.92:50500
1495634198450062 1025 1024 0.0.0.0:6443 10.0.1.92:65434
...

通过上面的操作,可以观察到哪些SYN包被ListenDrops影响了。从而我们也就可以知道哪些程序在丢失连接。

英文原文来自cloudflare的博客,地址如下:
SYN packet handling in the wild
英文原文在后半部分还介绍了SYN Cookies对于SYN Flood的影响,我在本文中没有翻译,感兴趣的可以看看原文。

原文链接: https://pengrl.com/p/46323/
原文出处: yoko blog (https://pengrl.com)
原文作者: yoko (https://github.com/q191201771)
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