从一次线上问题说起，详解 TCP 半连接队列、全连接队列-阿里云开发者社区

前言

某次大促值班 ing，对系统稳定性有着充分信心、心态稳如老狗的笔者突然收到上游反馈有万分几的概率请求我们 endpoint 会出现 Connection timeout 。此时系统侧的 apiserver 集群水位在 40%，离极限水位还有着很大的距离，当时通过紧急扩容 apiserver 集群后错误率降为了 0。事后进行了详细的问题排查，定位分析到问题根因出现在系统连接队列被打满导致，之前笔者对 TCP 半连接队列、全连接队列不太了解，只依稀记得《TCP/IP 详解》中好像有好像提到过这两个名词。

目前网上相关资料都比较零散，并且有些是过时或错误的结论，笔者在调查问题时踩了很多坑。痛定思痛，笔者查阅了大量资料并做了众多实验进行验证，梳理了这篇 TCP 半连接队列、全连接详解，当你细心阅读完这篇文章后相信你可以对 TCP 半连接队列、全连接队列有更充分的认识。

本篇文章将结合理论知识、内核代码、操作实验为你呈现如下内容：

半连接队列、全连接队列介绍
常用命令介绍
全连接队列实战 —— 最大长度控制、全连接队列溢出实验、实验结果分析...
半连接队列实战 —— 最大长度控制、半连接队列溢出实验、实验结果分析...
...

半连接队列、全连接队列

在 TCP 三次握手的过程中，Linux 内核会维护两个队列，分别是：

半连接队列 (SYN Queue)
全连接队列 (Accept Queue)

正常的 TCP 三次握手过程：

1、Client 端向 Server 端发送 SYN 发起握手，Client 端进入 SYN_SENT 状态

2、Server 端收到 Client 端的 SYN 请求后，Server 端进入 SYN_RECV 状态，此时内核会将连接存储到半连接队列(SYN Queue)，并向 Client 端回复 SYN+ACK

3、Client 端收到 Server 端的 SYN+ACK 后，Client 端回复 ACK 并进入 ESTABLISHED 状态

4、Server 端收到 Client 端的 ACK 后，内核将连接从半连接队列(SYN Queue)中取出，添加到全连接队列(Accept Queue)，Server 端进入 ESTABLISHED 状态

5、Server 端应用进程调用 accept 函数时，将连接从全连接队列(Accept Queue)中取出

半连接队列和全连接队列都有长度大小限制，超过限制时内核会将连接 Drop 丢弃或者返回 RST 包。

实战 —— 全连接队列

全连接队列最大长度控制

TCP 全连接队列的最大长度由 min(somaxconn, backlog) 控制，其中：

somaxconn 是 Linux 内核参数，由 /proc/sys/net/core/somaxconn 指定
backlog 是 TCP 协议中 listen 函数的参数之一，即 int listen(int sockfd, int backlog) 函数中的 backlog 大小。在 Golang 中，listen 的 backlog 参数使用的是 /proc/sys/net/core/somaxconn 文件中的值。

全连接队列溢出

下面来验证下全连接队列溢出会发生什么情况，可以通过让服务端应用只负责 Listen 对应端口而不执行 accept() TCP 连接，使 TCP 全连接队列溢出。

实验物料

服务端 server 代码

// server 端监听 8888 tcp 端口
package main
import (
  "log"
  "net"
  "time"
)
func main() {
  l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
  if err != nil {
    log.Printf("failed to listen due to %v", err)
  }
  defer l.Close()
  log.Println("listen :8888 success")
  for {
    time.Sleep(time.Second * 100)
  }
}

客户端 client 代码

// client 端并发请求 10 次 server 端，成功建立 tcp 连接后向 server 端发送数据
package main
import (
  "context"
  "log"
  "net"
  "os"
  "os/signal"
  "sync"
  "syscall"
  "time"
)
var wg sync.WaitGroup
func establishConn(ctx context.Context, i int) {
  defer wg.Done()
  conn, err := net.DialTimeout("tcp", ":8888", time.Second*5)
  if err != nil {
    log.Printf("%d, dial error: %v", i, err)
    return
  }
  log.Printf("%d, dial success", i)
  _, err = conn.Write([]byte("hello world"))
  if err != nil {
    log.Printf("%d, send error: %v", i, err)
    return
  }
  select {
  case <-ctx.Done():
    log.Printf("%d, dail close", i)
  }
}
func main() {
  ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
  for i := 0; i < 10; i++ {
    wg.Add(1)
    go establishConn(ctx, i)
  }
  go func() {
    sc := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(sc, syscall.SIGINT)
    select {
    case <-sc:
      cancel()
    }
  }()
  wg.Wait()
  log.Printf("client exit")
}

为了方便实验，将 somaxconn 全连接队列最大长度更新为 5： 1、更新 /etc/sysctl.conf 文件，将 net.core.somaxconn 更新为 5

2、执行 sysctl -p 使配置生效

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 5

实验结果

客户端日志输出

2021/10/11 17:24:48 8, dial success
2021/10/11 17:24:48 3, dial success
2021/10/11 17:24:48 4, dial success
2021/10/11 17:24:48 6, dial success
2021/10/11 17:24:48 5, dial success
2021/10/11 17:24:48 2, dial success
2021/10/11 17:24:48 1, dial success
2021/10/11 17:24:48 0, dial success
2021/10/11 17:24:48 7, dial success
2021/10/11 17:24:53 9, dial error: dial tcp 33.9.192.157:8888: i/o timeout

客户端 socket 情况

tcp        0      0 33.9.192.155:40372      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED
tcp        0      0 33.9.192.155:40376      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED
tcp        0      0 33.9.192.155:40370      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED
tcp        0      0 33.9.192.155:40366      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED
tcp        0      0 33.9.192.155:40374      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED
tcp        0      0 33.9.192.155:40368      33.9.192.157:8888       ESTABLISHED

服务端 socket 情况

tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40376      ESTABLISHED
tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40370      ESTABLISHED
tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40368      ESTABLISHED
tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40372      ESTABLISHED
tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40374      ESTABLISHED
tcp6      11      0 33.9.192.157:8888       33.9.192.155:40366      ESTABLISHED
tcp    LISTEN     6      5      [::]:8888               [::]:*                   users:(("main",pid=84244,fd=3))

抓包结果

对客户端、服务端抓包后，发现出现了三种情况，分别是：

client 成功与 server 端建立 tcp socket 连接，发送数据成功
client 认为成功与 server 端建立 tcp socket 连接，发送数据失败，一直在 RETRY；server 端认为 tcp 连接未建立，一直在发送 SYN+ACK
client 向 server 发送 SYN 未得到响应，一直在 RETRY

全连接队列实验结果分析

上述实验结果出现了三种情况，我们分别对抓包内容进行分析

情况一：Client 成功与 Server 端建立 tcp socket 链接，发送数据成功

tcp 3.png

上图可以看到如下请求：

Client 端向 Server 端发送 SYN 发起握手
Server 端收到 Client 端 SYN 后，向 Client 端回复 SYN+ACK，socket 连接存储到半连接队列(SYN Queue)
Client 端收到 Server 端 SYN+ACK 后，向 Server 端回复 ACK，Client 端进入 ESTABLISHED 状态
Server 端收到 Client 端 ACK 后，进入 ESTABLISHED 状态，socket 连接存储到全连接队列(Accept Queue)
Client 端向 Server 端发送数据 [PSH, ACK]，Server 端确认接收到数据 [ACK]

这种情况就是正常的请求，即全连接队列、半连接队列未满，client 成功与 server 建立了 tcp 链接，并成功发送数据。

情况二：Client 认为成功与 Server 端建立 tcp socket 连接，后续发送数据失败，持续 RETRY；Server 端认为 TCP 连接未建立，一直在发送SYN+ACK

tcp 4.png 上图可以看到如下请求：

Client 端向 Server 端发送 SYN 发起握手
Server 端收到 Client 端 SYN 后，向 Client 端回复 SYN+ACK，socket 连接存储到半连接队列(SYN Queue)
Client 端收到 Server 端 SYN+ACK 后，向 Server 端回复 ACK，Client 端进入 ESTABLISHED状态(重要：此时仅仅是 Client 端认为 tcp 连接建立成功)
由于 Client 端认为 TCP 连接已经建立完成，所以向 Server 端发送数据 [PSH，ACK]，但是一直未收到 Server 端的确认 ACK，所以一直在 RETRY
Server 端一直在 RETRY 发送 SYN+ACK

为什么会出现上述情况？Server 端为什么一直在 RETRY 发送 SYN+ACK？Server 端不是已经收到了 Client 端的 ACK 确认了吗？

上述情况是由于 Server 端 socket 连接进入了半连接队列，在收到 Client 端 ACK 后，本应将 socket 连接存储到全连接队列，但是全连接队列已满，所以 Server 端 DROP 了该 ACK 请求。

之所以 Server 端一直在 RETRY 发送 SYN+ACK，是因为 DROP 了 client 端的 ACK 请

求，所以 socket 连接仍旧在半连接队列中，等待 Client 端回复 ACK。tcp_abort_on_overflow 参数控制。

全连接队列满DROP 请求是默认行为，可以通过设置/proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow 使 Server 端在全连接队列满时，向 Client 端发送 RST 报文。

tcp_abort_on_overflow 有两种可选值：

0：如果全连接队列满了，Server 端 DROP Client 端回复的 ACK
1：如果全连接队列满了，Server 端向 Client 端发送 RST 报文，终止 TCP socket 链接 (TODO：后续有时间补充下该实验)

为什么实验结果中当前全连接队列大小 > 全连接队列最大长度配置？

上述结果中可以看到 Listen 状态的 socket 链接：

Recv-Q 当前全连接队列的大小是 6
Send-Q 全连接队列最大长度是 5

State      Recv-Q Send-Q    Local Address:Port         Peer Address:Port
LISTEN     6      5         [::]:8888                  [::]:*

为什么全连接队列大小 > 全连接队列最大长度配置呢？

经过多次实验发现，能够进入全连接队列的 Socket 最大数量始终比配置的全连接队列最大长度 + 1。

结合其他文章以及内核代码，发现内核在判断全连接队列是否满的情况下，使用的是 > 而非 >= (具体是为什么没有找到相关资源 : ) )。

实战 —— 半连接队列

半连接队列最大长度控制

翻阅了很多博文，查找关于半连接队列最大长度控制的相关内容，大多含糊其辞或不准确，经过不懈努力，最终找到了比较确切的内容(相关博文链接在附录中)。

很多博文中说半连接队列最大长度由 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 参数指定，实际上只有在 linux 内核版本小于 2.6.20 时，半连接队列才等于 backlog 的大小。

这块的源码比较复杂，这里给一下大体的计算方式，详细的内容可以参考附录中的相关博文。半连接队列长度的计算过程：

backlog = min(somaxconn, backlog)
nr_table_entries = backlog
nr_table_entries = min(backlog, sysctl_max_syn_backlog)
nr_table_entries = max(nr_table_entries, 8)
// roundup_pow_of_two: 将参数向上取整到最小的 2^n，注意这里存在一个 +1
nr_table_entries = roundup_pow_of_two(nr_table_entries + 1)
max_qlen_log = max(3, log2(nr_table_entries))
max_queue_length = 2^max_qlen_log

可以看到，半连接队列的长度由三个参数指定：

调用 listen 时，传入的 backlog
/proc/sys/net/core/somaxconn 默认值为 128
/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 默认值为 1024

我们假设 listen 传入的 backlog = 128 (Golang 中调用 listen 时传递的 backlog 参数使用的是 /proc/sys/net/core/somaxconn)，其他配置采用默认值，来计算下半连接队列的最大长度

backlog = min(somaxconn, backlog) = min(128, 128) = 128
nr_table_entries = backlog = 128
nr_table_entries = min(backlog, sysctl_max_syn_backlog) = min(128, 1024) = 128
nr_table_entries = max(nr_table_entries, 8) = max(128, 8) = 128
nr_table_entries = roundup_pow_of_two(nr_table_entries + 1) = 256
max_qlen_log = max(3, log2(nr_table_entries)) = max(3, 8) = 8
max_queue_length = 2^max_qlen_log = 2^8 = 256

可以得到半队列大小是 256。

判断是否 Drop SYN 请求

当 Client 端向 Server 端发送 SYN 报文后，Server 端会将该 socket 连接存储到半连接队列(SYN Queue)，如果 Server 端判断半连接队列满了则会将连接 Drop 丢弃。

那么 Server 端是如何判断半连接队列是否满的呢？除了上面一小节提到的半连接队列最大长度控制外，还和 /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies 参数有关。(tcp_syncookies 的作用是为了防止 SYN Flood 攻击的，下文会给出相关链接介绍)

流程图

判断是否 Drop SYN 请求的流程图： tcp 6.png

上图是整理了多份资料后，整理出来的判断是否 Drop SYN 请求的流程图。

注意：第一个判断条件「当前半连接队列是否已超过半连接队列最大长度」在不同内核版本中的判断不一样，Linux4.19.91 内核判断的是当前半连接队列长度是否 >= 全连接队列最大长度。

回顾全连接队列实验结果

在上文全连接队列实验中，有一类实验结果是：client 向 Server 发送 SYN 未得到响应，一直在 RETRY。

发生上述情况的原因由以下两方面导致：

1. 开启了 /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies 功能 2. 全连接队列满了

半连接队列溢出实验

上文我们已经知道如何计算理论上半连接队列何时会溢出，下面我们来具体实验下 (Golang 调用 listen 时传入的 backlog 值为 somaxconn)

实验一：syncookies=0，somaxconn=1024，tcp_max_syn_backlog=128

理论上：

计算出的半连接队列最大长度为 256
当半连接队列长度增长至 96 后，后续 SYN 请求就会触发 Drop

将相关参数的配置更新

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 1024
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 128
net.ipv4.tcp_syncookies = 0

启动服务端 Server 监听 8888 端口(代码参考全连接队列实验物料) 客户端 Client 发起 SYN Flood 攻击：

$ sudo hping3 -S 33.9.192.157 -p 8888 --flood
HPING 33.9.192.157 (eth0 33.9.192.157): S set, 40 headers + 0 data bytes
hping in flood mode, no replies will be shown

查看服务端 Server 8888端口处于 SYN_RECV 状态的 socket 最大个数：

[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
96
[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
96

实验结果符合预期，当半连接队列长度增长至 96 后，后续 SYN 请求就会触发 Drop。

实验二：syncookies = 0，somaxconn=128，tcp_max_syn_backlog=512

理论上：

计算出的半连接队列最大长度为 256，由于笔者实验机器上的内核版本是 4.19.91，所以当半连接队列长度 >= 全连接队列最大长度时，内核就认为半连接队列溢出了
所以当半连接队列长度增长至 128 后，后续 SYN 请求就会触发 DROP

将相关参数的配置更新

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 128
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 512
net.ipv4.tcp_syncookies = 0

启动服务端 Server 监听 8888 端口(代码参考全连接队列实验物料) 客户端 Client 发起 SYN Flood 攻击：

$ sudo hping3 -S 33.9.192.157 -p 8888 --flood
HPING 33.9.192.157 (eth0 33.9.192.157): S set, 40 headers + 0 data bytes
hping in flood mode, no replies will be shown

查看服务端 Server 8888端口处于 SYN_RECV 状态的 socket 最大个数：

[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
128
[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
128

实验结果符合预期，当半连接队列长度增长至 128 后，后续 SYN 请求就会触发 Drop

实验三：syncookies = 1，somaxconn=128，tcp_max_syn_backlog=512

理论上：

当全连接队列未满，syncookies = 1，理论上 SYN 请求永远不会被 Drop

将相关参数的配置更新

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 128
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 512
net.ipv4.tcp_syncookies = 1

启动服务端 Server 监听 8888 端口(代码参考全连接队列实验物料) 客户端 Client 发起 SYN Flood 攻击：

$ sudo hping3 -S 33.9.192.157 -p 8888 --flood
HPING 33.9.192.157 (eth0 33.9.192.157): S set, 40 headers + 0 data bytes
hping in flood mode, no replies will be shown

查看服务端 Server 8888端口处于 SYN_RECV 状态的 socket 最大个数：

[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
128
[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
128

实验发现即使syncookies=1，当半连接队列长度 > 全连接队列最大长度时，就会触发 DROP SYN 请求！！！(TODO：有时间阅读下相关内核源码，再分析下)

继续做实验，将 somaxconn 更新为 5

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 5
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 512
net.ipv4.tcp_syncookies = 1

发起 SYN Flood 攻击后，查看服务端 Server 8888端口处于 SYN_RECV 状态的 socket 最大个数：

[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
5
[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
5

确实即使 syncookies=1，当半连接队列长度 > 全连接最大长度时，就会触发 DROP SYN 请求。

实验四：syncookies = 1，somaxconn=256，tcp_max_syn_backlog=128

理论上：

当半连接队列大小到 256 后，后触发 DROP SYN 请求

将相关参数的配置更新

$ sudo sysctl -p
net.core.somaxconn = 256
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 128
net.ipv4.tcp_syncookies = 1

启动服务端 Server 监听 8888 端口(代码参考全连接队列实验物料)。客户端 Client 发起 SYN Flood 攻击:

$ sudo hping3 -S 33.9.192.157 -p 8888 --flood
HPING 33.9.192.157 (eth0 33.9.192.157): S set, 40 headers + 0 data bytes
hping in flood mode, no replies will be shown

查看服务端 Server 8888端口处于 SYN_RECV 状态的 socket 最大个数：

[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
256
[zechen.hg@function-compute033009192157.na63 /home/zechen.hg]
$ sudo netstat -nat | grep :8888 | grep SYN_RECV  | wc -l
256

实验结果符合预期，当半连接队列长度增长至 256 后，后续 SYN 请求就会触发 Drop。

回顾线上问题

再回顾值班时遇到的 Connection timeout 问题，当时相关系统参数配置为：

net.core.somaxconn = 128
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 512
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_abort_on_overflow = 0

所以出现 Connection timeout 有两种可能情况：

1、半连接队列未满，全连接队列满，Client 端向 Server 端发起 SYN 被 DROP (参考全连接队列实验结果情况三分析、半连接队列溢出实验情况三)

2、全连接队列未满，半连接队列大小超过全链接队列最大长度(参考半连接队列溢出实验情况三、半连接队列溢出实验情况四) 问题的最快修复方式是将 net.core.somaxconn 调大，以及 net.ipv4.tcp_abort_on_overflow 设置为 1，net.ipv4.tcp_abort_on_overflow 设置为 1 是为了让 client fail fast。