「系统编程」你所不知道的TIME_WAIT和CLOSE_WAIT（上）

作者：大房
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本文针对对TCP/IP协议有所了解，至少入门的同学。如果你连TCP/IP协议是啥，或者只听到过名字，那看起来会很吃力。

你遇到过TIME_WAIT的问题吗

我相信很多都遇到过这个问题。一旦有用户在喊：网络变慢了。第一件事情就是，netstat -a | grep TIME_WAIT | wc -l 一下。哎呀妈呀，几千个TIME_WAIT.

然后，做的第一件事情就是：打开Google或者Bing，输入关键词：too many time wait。一定能找到解决方案，而排在最前面或者被很多人到处转载的解决方案一定是打开 sysctl.conf 文件，修改以下几个参数：

1：net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

2：net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

3：net.ipv4.tcp_timestamps = 1

你也会被告知，开启tw_recylce和tw_reuse一定需要timestamps的支持，而且这些配置一般不建议开启，但是对解决TIME_WAIT很多的问题，有很好的用处。

接下来，你就直接修改了这几个参数，reload一下，发现，咦，没几分钟，TIME_WAIT的数量真的降低了，也没发现哪个用户说有问题，然后就没有然后了。

做到这一步，相信50%或者更高比例的开发就已经止步了。问题好像解决了，但是，要彻底理解并解决这个问题，可能就没这么简单，或者说，还有很长的路要走！

什么是TIME_WAIT和CLOSE_WAIT

所谓，要解决问题，就要先理解问题。随便改两行代码，发现bug“没有了”，也不是bug真的没有了，只是隐藏在更深的地方，你没有发现，或者以你的知识水平，你无法发现而已。

大家知道，由于socket是全双工的工作模式，一个socket的关闭，是需要四次握手来完成的。

1：主动关闭连接的一方，调用close()；协议层发送FIN包

2：被动关闭的一方收到FIN包后，协议层回复ACK；然后被动关闭的一方，进入CLOSE_WAIT状态，主动关闭的一方等待对方关闭，则进入FIN_WAIT_2状态；此时，主动关闭的一方 等待 被动关闭一方的应用程序，调用close操作

3：被动关闭的一方在完成所有数据发送后，调用close()操作；此时，协议层发送FIN包给主动关闭的一方，等待对方的ACK，被动关闭的一方进入LAST_ACK状态；

4：主动关闭的一方收到FIN包，协议层回复ACK；此时，主动关闭连接的一方，进入TIME_WAIT状态；而被动关闭的一方，进入CLOSED状态

5：等待2MSL时间，主动关闭的一方，结束TIME-WAIT，进入CLOSED状态

通过上面的一次socket关闭操作，你可以得出以下几点：

1：主动关闭连接的一方 – 也就是主动调用socket的close操作的一方，最终会进入TIME_WAIT状态

2：被动关闭连接的一方，有一个中间状态，即CLOSE_WAIT，因为协议层在等待上层的应用程序，主动调用close操作后才主动关闭这条连接

3：TIME_WAIT会默认等待2MSL时间后，才最终进入CLOSED状态；

4：在一个连接没有进入CLOSED状态之前，这个连接是不能被重用的！

所以，这里凭你的直觉，TIME_WAIT并不可怕（not really，后面讲），CLOSE_WAIT才可怕，因为CLOSE_WAIT很多，表示说要么是你的应用程序写的有问题，没有合适的关闭socket；要么是说，你的服务器CPU处理不过来（CPU太忙）或者你的应用程序一直睡眠到其它地方(锁，或者文件I/O等等)，你的应用程序获得不到合适的调度时间，造成你的程序没法真正的执行close操作。

这里又出现两个问题：

1：上文提到的连接重用，那连接到底是个什么概念？

2：协议层为什么要设计一个TIME_WAIT状态？这个状态为什么默认等待2MSL时间才会进入CLOSED

先解释清楚这两个问题，我们再来看，开头提到的几个网络配置究竟有什么用，以及TIME_WAIT的后遗症问题。

Socket连接到底是个什么概念

大家经常提socket，那么，到底什么是一个socket？其实，socket就是一个 五元组，包括：源IP、源端口、目的IP、目的端口、类型：TCP或者UDP

这个五元组，即标识了一条可用的连接。注意，有很多人把一个socket定义成四元组，也就是 源IP:源端口 + 目的IP:目的端口，这个定义是不正确的。

例如，如果你的本地出口IP是180.172.35.150，那么你的浏览器在连接某一个Web服务器，例如百度的时候，这条socket连接的四元组可能就是：

[180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80]

源IP为你的出口IP地址 180.172.35.150，源端口为随机端口 45678，目的IP为百度的某一个负载均衡服务器IP 180.97.33.108，端口为HTTP标准的80端口。

如果这个时候，你再开一个浏览器，访问百度，将会产生一条新的连接：

[180.172.35.150:43678, tcp, 180.97.33.108:80]

这条新的连接的源端口为一个新的随机端口 43678。

TIME_WAIT有什么用

如果我们来做个类比的话，TIME_WAIT的出现，对应的是你的程序里的异常处理，它的出现，就是为了解决网络的丢包和网络不稳定所带来的其他问题：

第一，防止前一个连接【五元组，我们继续以180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 为例】上延迟的数据包或者丢失重传的数据包，被后面复用的连接【前一个连接关闭后，此时你再次访问百度，新的连接可能还是由180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 这个五元组来表示，也就是源端口凑巧还是45678】错误的接收（异常：数据丢了，或者传输太慢了），参见下图：

第二，确保连接方能在时间范围内，关闭自己的连接。其实，也是因为丢包造成的，参见下图：

• 主动关闭方关闭了连接，发送了FIN；
• 被动关闭方回复ACK同时也执行关闭动作，发送FIN包；此时，被动关闭的一方进入LAST_ACK状态
• 主动关闭的一方回去了ACK，主动关闭一方进入TIME_WAIT状态；
• 但是最后的ACK丢失，被动关闭的一方还继续停留在LAST_ACK状态
• 此时，如果没有TIME_WAIT的存在，或者说，停留在TIME_WAIT上的时间很短，则主动关闭的一方很快就进入了CLOSED状态，也即是说，如果此时新建一个连接，源随机端口如果被复用，在connect发送SYN包后，由于被动方仍认为这条连接【五元组】还在等待ACK，但是却收到了SYN，则被动方会回复RST
• 造成主动创建连接的一方，由于收到了RST，则连接无法成功

所以，你看到了，TIME_WAIT的存在是很重要的，如果强制忽略TIME_WAIT，还是有很高的机率，造成数据粗乱，或者短暂性的连接失败。

那么，为什么说，TIME_WAIT状态会是持续2MSL（2倍的max segment lifetime）呢？这个时间可以通过修改内核参数调整吗？第一，这个2MSL，是RFC 793里定义的，参见RFC的截图标红的部分：

这个定义，更多的是一种保障（IP数据包里的TTL，即数据最多存活的跳数，真正反应的才是数据在网络上的存活时间），确保最后丢失了ACK，被动关闭的一方再次重发FIN并等待回复的ACK，一来一去两个来回。内核里，写死了这个MSL的时间为：30秒，所以TIME_WAIT的即为1分钟：

所以，再次回想一下前面的问题，如果一条连接，即使在四次握手关闭了，由于TIME_WAIT的存在，这个连接，在1分钟之内，也无法再次被复用，那么，如果你用一台机器做压测的客户端，你一分钟能发送多少并发连接请求？如果这台是一个负载均衡服务器，一台负载均衡服务器，一分钟可以有多少个连接同时访问后端的服务器呢？

写到这里，也许你稍微理解了TIME_WAIT和CLOSE_WAIT的区别。下篇，就针对文章的问题，稍作解答，然后讲解一下tw_reuse和tw_recyle的区别。