腾讯三面:一台服务器,最大支持的TCP连接数是多少?

简介: 一个 TCP 对象占用的大小,等于它所包含的一些数据结构占用大小的总和,也是就把上面这些数据结构的大小累加起来,就是一个 TCP 连接占用的大小了。实际过程中的 TCP 连接,肯定不是静止状态的,还会进行发送数据和接收数据了,那么这些过程还是会额外消耗更多的内存资源的,8 GB 物理内存的服务器实际并发很难达到百万级别。

大家好,我是小林。

最近有读者面试腾讯的时候,被问到 2 个很有意思的问题:

  1. 一个 服务端进程 最大能支持多少条 TCP 连接?
  2. 一台 服务器 最大能支持多少条 TCP 连接?
    很多同学第一反应就是端口的限制,端口号最多是 65536 个,那就最多只能支持 65536TCP 连接。

实际上这是不对的!

今天都带大家分析一波这两个问题。

一个服务端进程最大能支持多少条 TCP 连接?

首先我们要知道 TCP 连接本质上在内核里就是一个 socket 对象。

struct socket {
     
    ....
    //INET域专用的一个socket表示, 提供了INET域专有的一些属性,比如 IP地址,端口等
    struct sock             *sk;  
    //TCP连接的状态:SYN_SENT、SYN_RECV、ESTABLISHED.....
    short                   type;  
    ....
};  

struct inet_sock {
     
...
  __u32    daddr;   //IPv4的目标地址。  
  __u16    dport;   //目标端口。   
  __u32    saddr;   //源地址。  
  __u16    sport;   //源端口。  
...
};

这个 socket 对象也就是一个数据结构,里面包含了 TCP 四元组的信息:源IP、源端口、目标IP、目标端口

tcp-四元组

所以,只要确认了【源IP、源端口、目标IP、目标端口】这四个信息,就能在内核中找到这个 socket 对象,也就能确定一条 TCP 连接。

一个服务端进程通常是监听 1 个端口号(当然也可能监听多个端口号,这里不考虑),比如我的图解网站的 nginx 服务,就监听了 443 端口。

nginx-443

你们看图解网站的时候,实际上就是通过 nginx 服务把网页数据发送给你们的。

然后,服务端进程除了会固定监听某个一个端口之外,也通常会绑定 0.0.0.0 IP 地址。

这个 IP 地址是特殊的,0.0.0.0 指的是本机上的所有 IPV4 地址,如果一个主机有两个 IP 地址,192.168.1.110.1.2.1,并且该主机上的一个服务监听的地址是 0.0.0.0,那么通过两个 IP 地址都能够访问该服务。

所以一个服务端进程,意味着他的 IP 地址和端口号是固定的(0.0.0.0:443)。

也就是当客户端与服务端建立一条 TCP 连接的时候,这个 TCP 连接的四元组信息中服务端的 IP地址和端口 号是固定的,能产生变化的就是客户端的 IP 地址和端口号了。

因此,一个服务端进程最大能支持的 TCP 连接个数的计算公式如下:

【最大 TCP 连接数】=【客户端的 IP 数】X【客户端的 PORT 数】

IPv4,客户端的 IP 数最多为 232 次方,客户端的端口数最多为 216 次方。

那么一个服务端进程理想情况下,最大的 TCP 连接数约为 248 次方【 2^32 (ip数) * 2^16 (端口数)】,这数值是非常夸张的了,约等于 两百多万亿

当然,服务端进程最大能支持的 TCP 连接数远不能达到理论上限,还会受到 文件描述符、内存大小资源的限制,毕竟 socketLinux 的视角其实就是文件资源,而且一个 socket 对象也会占用一定的内存资源。

因此,会受以下因素影响:

  1. 文件描述符限制,每个 TCP 连接都是一个文件,如果文件描述符被占满了,会发生 Too many open filesLinux 对可打开的文件描述符的数量分别作了三个方面的限制:

    • 系统级:当前系统可打开的最大数量,通过 cat /proc/sys/fs/file-max 查看;
    • 用户级:指定用户可打开的最大数量,通过 cat /etc/security/limits.conf 查看;
    • 进程级:单个进程可打开的最大数量,通过 cat /proc/sys/fs/nr_open 查看;
  2. 内存限制,每个 TCP 连接都要占用一定内存,操作系统的内存是有限的,如果内存资源被占满后,会发生 OOM

一台服务器最大最多能支持多少条 TCP 连接?

前面分析是一个服务端进程理的情况,理论上能最大支持约为 2 的 48 次方(2^32 (ip数) * 2^16 (端口数),约等于 两百多万亿

那到了一台服务器的视角就会有一点不一样。

一台服务器是可以有多个服务端进程的,每个服务端进程监听不同的端口,比如:ssh22Redis6379,当然所有 65535 个端口你都可以用来监听一遍。

linux-端口监听

当然所有 65535 个端口你都可以用来监听一遍,这样理论上线就到了 2的32次方(ip数)×2的16次方(port数)×2的16次方(服务器port数)个,感兴趣你可以算一下,这个基本相当于 无穷个 了。

server-tcp-max

不过理想和实际总是会有差距的!

因为 Linux 每维护一条 TCP 连接都要花费资源,处理连接请求,保活,数据的收发时需要消耗一些 CPU,维持 TCP 连接主要 消耗内存

我们题目的问题是考虑最大多少个连接,所以我们先不考虑数据的收发,那么 TCP 在静止的状态下,就不怎么消耗 CPU 了,主要消耗内存,而 Linux 上内存是有限的。

首先,我们要知道一条处于 ESTABLISH 状态的 TCP 连接具体占用多大内存?

一个 TCP 对象占用的大小,等于它所包含的一些数据结构占用大小的总和,也是就把上面这些数据结构的大小累加起来,就是一个 TCP 连接占用的大小了。

ESTABLISH-tcp-count

这里直接给大家一个结论,一条处于 ESTABLISH 状态的 TCP 连接占用的大小是 3.44 KB(0.81K+2.19K+0.19K+0.25K)

也就是,每一条静止状态的 TCP 连接大约需要吃 3.44K 的内存。

那么 8 GB 物理内存的服务器,最大能支持的 TCP 连接数 = 8GB/3.44KB=2,438,956(约240万)

当然, 实际过程中的 TCP 连接,肯定不是静止状态的,还会进行发送数据和接收数据了,那么这些过程还是会额外消耗更多的内存资源的,并发很难达到百万级别。

总结

  • 一个服务端进程最多能支持多少条 TCP 连接?

如果在不考虑服务器的内存和文件句柄资源的情况下,理论上一个服务端进程最多能支持约为 2 的 48 次方(2^32 (ip数) * 2^16 (端口数),约等于两百多万亿!

但是在实际中是支持不了这个数值的,每个 TCP 连接都是一个文件,会占用文件句柄资源,也会占用一定的内存空间。

  • 一台服务器最大最多能支持多少条 TCP 连接?

一台服务器是可以有多个服务端进程的,每个服务端进程监听不同的端口,当然所有 65535 个端口你都可以用来监听一遍。

当然所有 65535 个端口你都可以用来监听一遍,这样理论上线就到了 2的32次方(ip数)×2的16次方(port数)×2的16次方(服务器port数)个,这个基本相当于无穷个了。

但是 Linux 每维护一条 TCP 连接都要花费内存资源的,每一条静止状态(不发送数据和不接收数据)的 TCP 连接大约需要吃 3.44K 的内存,那么 8 GB 物理内存的服务器,最大能支持的 TCP 连接数 = 8GB/3.44KB=2,438,956(约240万)。

实际过程中的 TCP 连接,还会进行发送数据和接收数据了,那么这些过程还是会额外消耗更多的内存资源的,并发很难达到百万级别。

完!你学废了吗?理想和现实的差距!

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