本文作者張彥飛，原題“聊聊TCP連接耗時的那些事兒”，有少許改動。
1、引言
對于基于互聯網的通信應用（比如IM聊天、推送系統），數據傳遞時使用TCP協議相對較多。這是因為在TCP/IP協議簇的傳輸層協議中，TCP協議具備可靠的連接、錯誤重傳、擁塞控制等優點，所以目前在應用場景上比UDP更廣泛一些。
相信你也一定聽聞過TCP也存在一些缺點，能常都是老生常談的開銷要略大。但是各路技術博客里都在單單說開銷大、或者開銷小，而少見不給出具體的量化分析。不客氣的講，類似論述都是沒什么營養的廢話。
經過日常工作的思考之后，我更想弄明白的是，TCP的開銷到底有多大，能否進行量化。一條TCP連接的建立需要耗時延遲多少，是多少毫秒，還是多少微秒？能不能有一個哪怕是粗略的量化估計？當然影響TCP耗時的因素有很多，比如網絡丟包等等。我今天只分享我在工作實踐中遇到的比較高發的各種情況。
寫在前面：得益于Linux內核的開源，本文中所提及的底層以及具體的內核級代碼例子，都是以Linux系統為例。
2、系列文章
本文是系列文章中的第11篇，本系列文章的大綱如下：
- 《不為人知的網絡編程(一)：淺析TCP協議中的疑難雜癥(上篇)》
- 《不為人知的網絡編程(二)：淺析TCP協議中的疑難雜癥(下篇)》
- 《不為人知的網絡編程(三)：關閉TCP連接時為什么會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
- 《不為人知的網絡編程(四)：深入研究分析TCP的異常關閉》
- 《不為人知的網絡編程(五)：UDP的連接性和負載均衡》
- 《不為人知的網絡編程(六)：深入地理解UDP協議并用好它》
- 《不為人知的網絡編程(七)：如何讓不可靠的UDP變的可靠？》
- 《不為人知的網絡編程(八)：從數據傳輸層深度解密HTTP》
- 《不為人知的網絡編程(九)：理論聯系實際，全方位深入理解DNS》
- 《不為人知的網絡編程(十)：深入操作系統，從內核理解網絡包的接收過程(Linux篇)》
- 《不為人知的網絡編程(十一)：從底層入手，深度分析TCP連接耗時的秘密》（本文）
- 《不為人知的網絡編程(十二)：徹底搞懂TCP協議層的KeepAlive保活機制》
- 《不為人知的網絡編程(十三)：深入操作系統，徹底搞懂127.0.0.1本機網絡通信》
- 《不為人知的網絡編程(十四)：拔掉網線再插上，TCP連接還在嗎？一文即懂！》
3、理想情況下的TCP連接耗時分析
要想搞清楚TCP連接的耗時，我們需要詳細了解連接的建立過程。
在前文《深入操作系統，從內核理解網絡包的接收過程(Linux篇)》中我們介紹了數據包在接收端是怎么被接收的：數據包從發送方出來，經過網絡到達接收方的網卡；在接收方網卡將數據包DMA到RingBuffer后，內核經過硬中斷、軟中斷等機制來處理（如果發送的是用戶數據的話，最后會發送到socket的接收隊列中，并喚醒用戶進程）。
在軟中斷中，當一個包被內核從RingBuffer中摘下來的時候，在內核中是用struct sk_buff結構體來表示的（參見內核代碼include/linux/skbuff.h）。其中的data成員是接收到的數據，在協議棧逐層被處理的時候，通過修改指針指向data的不同位置，來找到每一層協議關心的數據。
對于TCP協議包來說，它的Header中有一個重要的字段-flags。
如下圖：
通過設置不同的標記位，將TCP包分成SYNC、FIN、ACK、RST等類型：
- 1）客戶端通過connect系統調用命令內核發出SYNC、ACK等包來實現和服務器TCP連接的建立；
- 2）在服務器端，可能會接收許許多多的連接請求，內核還需要借助一些輔助數據結構-半連接隊列和全連接隊列。
我們來看一下整個連接過程：
在這個連接過程中，我們來簡單分析一下每一步的耗時：
- 1）客戶端發出SYNC包：客戶端一般是通過connect系統調用來發出SYN的，這里牽涉到本機的系統調用和軟中斷的CPU耗時開銷；
- 2）SYN傳到服務器：SYN從客戶端網卡被發出，開始“跨過山和大海，也穿過人山人海......”，這是一次長途遠距離的網絡傳輸；
- 3）服務器處理SYN包：內核通過軟中斷來收包，然后放到半連接隊列中，然后再發出SYN/ACK響應。又是CPU耗時開銷；
- 4）SYC/ACK傳到客戶端：SYC/ACK從服務器端被發出后，同樣跨過很多山、可能很多大海來到客戶端。又一次長途網絡跋涉；
- 5）客戶端處理SYN/ACK：客戶端內核收包并處理SYN后，經過幾us的CPU處理，接著發出ACK。同樣是軟中斷處理開銷；
- 6）ACK傳到服務器：和SYN包，一樣，再經過幾乎同樣遠的路，傳輸一遍。 又一次長途網絡跋涉；
- 7）服務端收到ACK：服務器端內核收到并處理ACK，然后把對應的連接從半連接隊列中取出來，然后放到全連接隊列中。一次軟中斷CPU開銷；
- 8）服務器端用戶進程喚醒：正在被accpet系統調用阻塞的用戶進程被喚醒，然后從全連接隊列中取出來已經建立好的連接。一次上下文切換的CPU開銷。
以上幾步操作，可以簡單劃分為兩類：
- 第一類：是內核消耗CPU進行接收、發送或者是處理，包括系統調用、軟中斷和上下文切換。它們的耗時基本都是幾個us左右；
- 第二類：是網絡傳輸，當包被從一臺機器上發出以后，中間要經過各式各樣的網線、各種交換機路由器。所以網絡傳輸的耗時相比本機的CPU處理，就要高的多了。根據網絡遠近一般在幾ms~到幾百ms不等。
1ms就等于1000us，因此網絡傳輸耗時比雙端的CPU開銷要高1000倍左右，甚至更高可能還到100000倍。
所以：在正常的TCP連接的建立過程中，一般考慮網絡延時即可。
PS：一個RTT指的是包從一臺服務器到另外一臺服務器的一個來回的延遲時間。
所以從全局來看：TCP連接建立的網絡耗時大約需要三次傳輸，再加上少許的雙方CPU開銷，總共大約比1.5倍RTT大一點點。
不過，從客戶端視角來看：只要ACK包發出了，內核就認為連接是建立成功了。所以如果在客戶端打點統計TCP連接建立耗時的話，只需要兩次傳輸耗時-既1個RTT多一點的時間。（對于服務器端視角來看同理，從SYN包收到開始算，到收到ACK，中間也是一次RTT耗時）。
4、極端情況下的TCP連接耗時分析
上一節可以看到：在客戶端視角，正常情況下一次TCP連接總的耗時也就就大約是一次網絡RTT的耗時。如果所有的事情都這么簡單，我想我的這次分享也就沒有必要了。事情不一定總是這么美好，意外的發生在所難免。
在某些情況下，可能會導致TCP連接時的網絡傳輸耗時上漲、CPU處理開銷增加、甚至是連接失敗。本節將就我在線上遇到過的各種切身體會的溝溝坎坎，來分析一下極端情況下的TCP連接耗時情況。
4.1 客戶端connect調用耗時失控案例
正常一個系統調用的耗時也就是幾個us（微秒）左右。但是在我的《追蹤將服務器CPU耗光的兇手!》一文中，筆者的一臺服務器當時遇到一個狀況：某次運維同學轉達過來說該服務CPU不夠用了，需要擴容。
當時的服務器監控如下圖：
該服務之前一直每秒抗2000左右的qps，CPU的idel一直有70%+，怎么突然就CPU一下就不夠用了呢。
而且更奇怪的是CPU被打到谷底的那一段時間，負載卻并不高（服務器為4核機器，負載3-4是比較正常的）。
后來經過排查以后發現當TCP客戶端TIME_WAIT有30000左右，導致可用端口不是特別充足的時候，connect系統調用的CPU開銷直接上漲了100多倍，每次耗時達到了2500us（微秒），達到了毫秒級別。
當遇到這種問題的時候，雖然TCP連接建立耗時只增加了2ms左右，整體TCP連接耗時看起來還可接受。但這里的問題在于這2ms多都是在消耗CPU的周期，所以問題不小。
解決起來也非常簡單，辦法很多：修改內核參數net.ipv4.ip_local_port_range多預留一些端口號、改用長連接都可以。
4.2 TCP半/全連接隊列滿的案例
如果連接建立的過程中，任意一個隊列滿了，那么客戶端發送過來的syn或者ack就會被丟棄。客戶端等待很長一段時間無果后，然后會發出TCP Retransmission重傳。
拿半連接隊列舉例：
要知道的是上面TCP握手超時重傳的時間是秒級別的。也就是說一旦server端的連接隊列導致連接建立不成功，那么光建立連接就至少需要秒級以上。而正常的在同機房的情況下只是不到1毫秒的事情，整整高了1000倍左右。
尤其是對于給用戶提供實時服務的程序來說，用戶體驗將會受到較大影響。如果連重傳也沒有握手成功的話，很可能等不及二次重試，這個用戶訪問直接就超時了。
還有另外一個更壞的情況是：它還有可能會影響其它的用戶。
假如你使用的是進程/線程池這種模型提供服務，比如：php-fpm。我們知道fpm進程是阻塞的，當它響應一個用戶請求的時候，該進程是沒有辦法再響應其它請求的。假如你開了100個進程/線程，而某一段時間內有50個進程/線程卡在和redis或者mysql服務器的握手連接上了（注意：這個時候你的服務器是TCP連接的客戶端一方）。這一段時間內相當于你可以用的正常工作的進程/線程只有50個了。而這個50個worker可能根本處理不過來，這時候你的服務可能就會產生擁堵。再持續稍微時間長一點的話，可能就產生雪崩了，整個服務都有可能會受影響。
既然后果有可能這么嚴重，那么我們如何查看我們手頭的服務是否有因為半/全連接隊列滿的情況發生呢？
在客戶端：可以抓包查看是否有SYN的TCP Retransmission。如果有偶發的TCP Retransmission，那就說明對應的服務端連接隊列可能有問題了。
在服務端的話：查看起來就更方便一些了。netstat -s 可查看到當前系統半連接隊列滿導致的丟包統計，但該數字記錄的是總丟包數。你需要再借助 watch 命令動態監控。如果下面的數字在你監控的過程中變了，那說明當前服務器有因為半連接隊列滿而產生的丟包。你可能需要加大你的半連接隊列的長度了。
$ watch'netstat -s | grep LISTEN'
8 SYNs to LISTEN sockets ignored
對于全連接隊列來說呢，查看方法也類似：
$ watch'netstat -s | grep overflowed'
160 timesthe listen queue of a socket overflowed
如果你的服務因為隊列滿產生丟包，其中一個做法就是加大半/全連接隊列的長度。 半連接隊列長度Linux內核中，主要受tcp_max_syn_backlog影響 加大它到一個合適的值就可以。
# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
1024
# echo "2048" > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
全連接隊列長度是應用程序調用listen時傳入的backlog以及內核參數net.core.somaxconn二者之中較小的那個。你可能需要同時調整你的應用程序和該內核參數。
# cat /proc/sys/net/core/somaxconn
128
# echo "256" > /proc/sys/net/core/somaxconn
改完之后我們可以通過ss命令輸出的Send-Q確認最終生效長度：
$ ss -nlt
Recv-Q Send-Q Local Address:Port Address:Port
0 128 *:80 *:*
Recv-Q告訴了我們當前該進程的全連接隊列使用長度情況。如果Recv-Q已經逼近了Send-Q,那么可能不需要等到丟包也應該準備加大你的全連接隊列了。
如果加大隊列后仍然有非常偶發的隊列溢出的話，我們可以暫且容忍。
如果仍然有較長時間處理不過來怎么辦？
另外一個做法就是直接報錯，不要讓客戶端超時等待。
例如將Redis、Mysql等后端接口的內核參數tcp_abort_on_overflow為1。如果隊列滿了，直接發reset給client。告訴后端進程/線程不要癡情地傻等。這時候client會收到錯誤“connection reset by peer”。犧牲一個用戶的訪問請求，要比把整個站都搞崩了還是要強的。
5、TCP連接耗時實測分析
5.1 測試前的準備
我寫了一段非常簡單的代碼，用來在客戶端統計每創建一個TCP連接需要消耗多長時間。
<?php
$ip= {服務器ip};
$port= {服務器端口};
$count= 50000;
function buildConnect($ip,$port,$num){
for($i=0;$i<$num;$i++){
$socket= socket_create(AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_TCP);
if($socket==false) {
echo"$ip $port socket_create() 失敗的原因是:".socket_strerror(socket_last_error($socket))."\n";
sleep(5);
continue;
}
if(false == socket_connect($socket, $ip, $port)){
echo"$ip $port socket_connect() 失敗的原因是:".socket_strerror(socket_last_error($socket))."\n";
sleep(5);
continue;
}
socket_close($socket);
}
}
$t1= microtime(true);
buildConnect($ip, $port, $count);
echo(($t2-$t1)*1000).'ms';
在測試之前，我們需要本機linux可用的端口數充足，如果不夠50000個，最好調整充足。
# echo "5000 65000" /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
5.2 正常情況下的測試
注意：無論是客戶端還是服務器端都不要選擇有線上服務在跑的機器，否則你的測試可能會影響正常用戶訪問
首先：我的客戶端位于河北懷來的IDC機房內，服務器選擇的是公司廣東機房的某臺機器。執行ping命令得到的延遲大約是37ms，使用上述腳本建立50000次連接后，得到的連接平均耗時也是37ms。
這是因為前面我們說過的，對于客戶端來看，第三次的握手只要包發送出去，就認為是握手成功了，所以只需要一次RTT、兩次傳輸耗時。雖然這中間還會有客戶端和服務端的系統調用開銷、軟中斷開銷，但由于它們的開銷正常情況下只有幾個us(微秒)，所以對總的連接建立延時影響不大。
接下來：我換了一臺目標服務器，該服務器所在機房位于北京。離懷來有一些距離，但是和廣東比起來可要近多了。這一次ping出來的RTT是1.6~1.7ms左右，在客戶端統計建立50000次連接后算出每條連接耗時是1.64ms。
再做一次實驗：這次選中實驗的服務器和客戶端直接位于同一個機房內，ping延遲在0.2ms~0.3ms左右。跑了以上腳本以后，實驗結果是50000 TCP連接總共消耗了11605ms，平均每次需要0.23ms。
線上架構提示：這里看到同機房延遲只有零點幾ms，但是跨個距離不遠的機房，光TCP握手耗時就漲了4倍。如果再要是跨地區到廣東，那就是百倍的耗時差距了。線上部署時，理想的方案是將自己服務依賴的各種mysql、redis等服務和自己部署在同一個地區、同一個機房（再變態一點，甚至可以是甚至是同一個機架）。因為這樣包括TCP鏈接建立啥的各種網絡包傳輸都要快很多。要盡可能避免長途跨地區機房的調用情況出現。
5.3 TCP連接隊列溢出情況下的測試
測試完了跨地區、跨機房和跨機器。這次為了快，直接和本機建立連接結果會咋樣呢？
Ping本機ip或127.0.0.1的延遲大概是0.02ms，本機ip比其它機器RTT肯定要短。我覺得肯定連接會非常快，嗯實驗一下。
連續建立5W TCP連接：總時間消耗27154ms，平均每次需要0.54ms左右。
嗯！？怎么比跨機器還長很多？
有了前面的理論基礎，我們應該想到了：由于本機RTT太短，所以瞬間連接建立請求量很大，就會導致全連接隊列或者半連接隊列被打滿的情況。一旦發生隊列滿，當時撞上的那個連接請求就得需要3秒+的連接建立延時。所以上面的實驗結果中，平均耗時看起來比RTT高很多。
在實驗的過程中，我使用tcpdump抓包看到了下面的一幕。原來有少部分握手耗時3s+，原因是半連接隊列滿了導致客戶端等待超時后進行了SYN的重傳。
我們又重新改成每500個連接，sleep 1秒。嗯好，終于沒有卡的了（或者也可以加大連接隊列長度）。
結論是：本機50000次TCP連接在客戶端統計總耗時102399 ms，減去sleep的100秒后，平均每個TCP連接消耗0.048ms。比ping延遲略高一些。
這是因為當RTT變的足夠小的時候，內核CPU耗時開銷就會顯現出來了，另外TCP連接要比ping的icmp協議更復雜一些，所以比ping延遲略高0.02ms左右比較正常。
6、本文小結
TCP連接在建立異常的情況下，可能需要好幾秒，一個壞處就是會影響用戶體驗，甚至導致當前用戶訪問超時都有可能。另外一個壞處是可能會誘發雪崩。
所以當你的服務器使用短連接的方式訪問數據的時候：一定要學會要監控你的服務器的連接建立是否有異常狀態發生。如果有，學會優化掉它。當然你也可以采用本機內存緩存，或者使用連接池來保持長連接，通過這兩種方式直接避免掉TCP握手揮手的各種開銷也可以。
再說正常情況下：TCP建立的延時大約就是兩臺機器之間的一個RTT耗時，這是避免不了的。但是你可以控制兩臺機器之間的物理距離來降低這個RTT，比如把你要訪問的redis盡可能地部署的離后端接口機器近一點，這樣RTT也能從幾十ms削減到最低可能零點幾ms。
最后我們再思考一下：如果我們把服務器部署在北京，給紐約的用戶訪問可行嗎？
前面的我們同機房也好，跨機房也好，電信號傳輸的耗時基本可以忽略（因為物理距離很近），網絡延遲基本上是轉發設備占用的耗時。但是如果是跨越了半個地球的話，電信號的傳輸耗時我們可得算一算了。 北京到紐約的球面距離大概是15000公里，那么拋開設備轉發延遲，僅僅光速傳播一個來回（RTT是Rround trip time，要跑兩次），需要時間 = 15,000,000 *2 / 光速 = 100ms。實際的延遲可能比這個還要大一些，一般都得200ms以上。建立在這個延遲上，要想提供用戶能訪問的秒級服務就很困難了。所以對于海外用戶，最好都要在當地建機房或者購買海外的服務器。
附錄：更多網絡編程精華資料
[1] 網絡編程(基礎)資料：
- 《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協議》
- 《技術往事：改變世界的TCP/IP協議（珍貴多圖、手機慎點）》
- 《通俗易懂-深入理解TCP協議（上）：理論基礎》
- 《理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》
- 《P2P技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
- 《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》
- 《網絡編程懶人入門(二)：快速理解網絡通信協議（下篇）》
- 《網絡編程懶人入門(三)：快速理解TCP協議一篇就夠》
- 《網絡編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異》
- 《網絡編程懶人入門(五)：快速理解為什么說UDP有時比TCP更有優勢》
- 《網絡編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》
- 《網絡編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》
- 《網絡編程懶人入門(八)：手把手教你寫基于TCP的Socket長連接》
- 《網絡編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，為何還要用MAC地址？》
- 《網絡編程懶人入門(十)：一泡尿的時間，快速讀懂QUIC協議》
- 《網絡編程懶人入門(十一)：一文讀懂什么是IPv6》
- 《網絡編程懶人入門(十二)：快速讀懂Http/3協議，一篇就夠！》
- 《網絡編程懶人入門(十三)：一泡尿的時間，快速搞懂TCP和UDP的區別》
- 《網絡編程懶人入門(十四)：到底什么是Socket？一文即懂！》
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- 《讓互聯網更快：新一代QUIC協議在騰訊的技術實踐分享》
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[2] 網絡編程(高階)資料：
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