Java面試基礎(chǔ)之TCP連接以及其優(yōu)化

前言

作為一個(gè)后端程序員，網(wǎng)絡(luò)連接這塊是一個(gè)繞不過(guò)的砍，當(dāng)你在做服務(wù)器優(yōu)化的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也是其中一環(huán)，那么作為網(wǎng)絡(luò)連接中最基礎(chǔ)的部分-TCP連接你了解嗎？今天我們來(lái)仔細(xì)看看這個(gè)部分。

TCP建立連接-三次握手

詳解

1. 客戶(hù)端和服務(wù)器還未建立連接，但服務(wù)器一般處于listen狀態(tài)
2. 客戶(hù)端主動(dòng)建立連接，向服務(wù)器發(fā)送SYN報(bào)文，客戶(hù)端變?yōu)镾YN_SENT狀態(tài)
3. 服務(wù)器收到客戶(hù)端發(fā)送的報(bào)文，也回了一個(gè)SYN報(bào)文，包含了一個(gè)ack。此時(shí)，服務(wù)器變?yōu)镾YN_RCVD狀態(tài)
4. 客戶(hù)端收到了服務(wù)器發(fā)送的SYN報(bào)文，確認(rèn)了ack，它將向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文。此時(shí)，客戶(hù)端變?yōu)镋STABLISHED
5. 服務(wù)器收到客戶(hù)端的ACK報(bào)文，確認(rèn)了ack。此時(shí)，服務(wù)器也變?yōu)镋STABLISHED
6. 服務(wù)器和客戶(hù)端可以正常通信了

其中步驟2~4就是三次握手，那么為什么需要三次握手呢？為什么不是一次或者兩次握手呢？

首先，我們需要知道，只有當(dāng)服務(wù)器和客戶(hù)端都能確保自己能夠發(fā)消息和接收消息，這次網(wǎng)絡(luò)通信才算成功的。

步驟2的作用是讓服務(wù)器知道了自己是可以接收消息的。

步驟3的作用是讓客戶(hù)端知道自己發(fā)送消息和接收消息的功能是OK的，發(fā)送消息的能力是通過(guò)服務(wù)器返回的ack=x+1確認(rèn)的，因?yàn)檫@個(gè)值基于當(dāng)初客戶(hù)端發(fā)送的消息seq=x。接收消息的能力是因?yàn)槭盏搅朔?wù)器的返回。

步驟4的作用是讓服務(wù)器端知道自己發(fā)送消息的能力是OK的（和步驟3類(lèi)似）。

linux查看

linux服務(wù)器可以利用netstat -anp | grep tcp命令，查看服務(wù)器上各個(gè)端口和應(yīng)用的連接狀態(tài)。

你還可以通過(guò)修改linux的配置文件/etc/sysctl.conf，調(diào)整各個(gè)狀態(tài)的數(shù)量

SYN_SENT狀態(tài)相關(guān)

主動(dòng)建立連接時(shí)，發(fā)SYN（步驟2）的重試次數(shù)

nct.ipv4.tcp_syn_rctries = 6

建立連接時(shí)的本地端口可用范圍

net.ipv4.ip_local_port_range = 32768 60999

SYN_RCVD狀態(tài)相關(guān)

SYN_RCVD狀態(tài)連接的最大個(gè)數(shù)

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog

被動(dòng)建立連接時(shí)，發(fā)SYN/ACK（步驟3）重試次數(shù)

net.ipv4.tcp_synack_retries

說(shuō)完了TCP建立連接，接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)看看TCP正常斷開(kāi)連接的過(guò)程

TCP斷開(kāi)連接-四次揮手

詳解

1. 客戶(hù)端與服務(wù)器端正常傳輸數(shù)據(jù)
2. 客戶(hù)端主動(dòng)斷開(kāi)連接，向服務(wù)器端發(fā)送FIN報(bào)文，客戶(hù)端變?yōu)镕IN_WAIT1狀態(tài)
3. 服務(wù)器收到客戶(hù)端的FIN后，向客戶(hù)端發(fā)送ACK報(bào)文，服務(wù)器變?yōu)镃LOSE_WAIT狀態(tài)
4. 客戶(hù)端收到服務(wù)器的ACK報(bào)文后，客戶(hù)端變?yōu)镕IN_WAIT2狀態(tài)
5. 服務(wù)器向客戶(hù)端發(fā)送FIN報(bào)文，服務(wù)器變?yōu)長(zhǎng)AST_ACK狀態(tài)
6. 客戶(hù)端收到服務(wù)器發(fā)送的FIN報(bào)文后，向服務(wù)器發(fā)送ACK報(bào)文，客戶(hù)端變?yōu)門(mén)IME_WAIT狀態(tài)
7. 服務(wù)器收到客戶(hù)端的ACK報(bào)文后，服務(wù)器變?yōu)镃LOSED狀態(tài)
8. 客戶(hù)端經(jīng)過(guò)2MSL(max segment lifetime，報(bào)文最大生存時(shí)間)時(shí)間后，也變?yōu)镃LOSED狀態(tài)

其中，步驟2、3、5、6即為4次揮手。

TIME_WAIT狀態(tài)及其優(yōu)化

看完之后，大家想必會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，為什么TIME_WAIT狀態(tài)需要保持2MSL？因?yàn)檫@可以保證至少一次報(bào)文的往返時(shí)間內(nèi)，端口是不可復(fù)用的。

假設(shè)TIME_WAIT狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間很短，我們來(lái)模擬下面這種場(chǎng)景：

• 客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)送了三條報(bào)文，其中第3條報(bào)文卡在網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器只收到了前兩條，向客戶(hù)單發(fā)送ACK=2，客戶(hù)端重新發(fā)送第三條報(bào)文。
• 服務(wù)器主動(dòng)發(fā)送FIN報(bào)文，客戶(hù)端收到后發(fā)送FIN、ACK，服務(wù)器端收到后發(fā)送ACK并進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)（假設(shè)這個(gè)狀態(tài)很短）。
• 現(xiàn)在服務(wù)器又再次和客戶(hù)端建立連接，三次握手之后開(kāi)始發(fā)送正常數(shù)據(jù)，結(jié)果之前卡住的第三條報(bào)文，現(xiàn)在終于發(fā)送到服務(wù)器，但服務(wù)器也不知道該如何處理這條報(bào)文。

因此這也是TIME_WAIT狀態(tài)需要保持2MSL的原因，如果這么長(zhǎng)時(shí)間也沒(méi)有收到報(bào)文，即使有正確的報(bào)文從客戶(hù)端發(fā)出，也已經(jīng)過(guò)期了，因此不會(huì)影響到之后的通信。

但這同樣也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，TIME_WAIT狀態(tài)保持的時(shí)間較長(zhǎng)，假設(shè)服務(wù)器端有大量TIME_WAIT狀態(tài)的TCP連接，就相當(dāng)于白白浪費(fèi)掉大量的服務(wù)器資源(端口)。此時(shí)，我們可以通過(guò)修改以下配置進(jìn)行服務(wù)器調(diào)優(yōu)：

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

• 開(kāi)啟后，作為客戶(hù)端時(shí)新連接可以使用仍然處于TIME_WAIT狀態(tài)的端口
• 由于timestamp的存在，操作系統(tǒng)可以拒絕遲到的報(bào)文（例如上面說(shuō)的第三條報(bào)文），可以利用以下配置：

net.ipv4.tcp_timestamps = 1

其他狀態(tài)的優(yōu)化

CLOSE_WAIT狀態(tài)

如果服務(wù)器端有大量CLOSE_WAIT狀態(tài)的連接，很有可能是應(yīng)用進(jìn)程出現(xiàn)bug，沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉連接。

FIN_WAIT1狀態(tài)

調(diào)整發(fā)送FIN報(bào)文的重試次數(shù)，0相當(dāng)于8

net.ipv4.tcp_orphan_retries = 0

FIN_WAIT2狀態(tài)

調(diào)整保持在FIN_WAIT2狀態(tài)的時(shí)間

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 60

總結(jié)

看到這里，想必你應(yīng)該對(duì)TCP連接有了一個(gè)大致的了解。現(xiàn)在服務(wù)器大多都用了nginx做了負(fù)載均衡，因此，我們可能需要在此基礎(chǔ)上了解一些nginx相關(guān)的配置原理，這樣應(yīng)該會(huì)對(duì)我們的服務(wù)器性能調(diào)優(yōu)會(huì)有更大的幫助。

好了，以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)億速云的支持。