【计算机网络】TCP4次挥手中的TIME_WAIT状态（面试题小结）

2024-03-17 10:55:58

1、为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL？

MSL 是 Maximum Segment Lifetime，报⽂最⼤⽣存时间， 它是任何报⽂在⽹络上存在的最⻓时间，超过这个时间报⽂将被丢弃。因为 TCP 报⽂基于是 IP 协议的，⽽ IP 头中有⼀个 TTL 字段，是 IP 数据报可以经过的最⼤路由数，每经过⼀个处理他的路由器此值就减 1，当此值为 0 则数据报将被丢弃，同时发送 ICMP 报⽂通知源主机。

MSL 与 TTL 的区别： MSL 的单位是时间，⽽ TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要⼤于等于 TTL 消耗为 0 的时间，以确保报⽂已被⾃然消亡。

TIME_WAIT 等于2 倍的 MSL，比较合理的解释是：网络中可能存在来⾃发送⽅的数据包，当这些发送⽅的数据包被接收⽅处理后又会向对方发送响应，所以⼀来⼀回需要等待 2 倍的时间。

⽐如如果被动关闭⽅没有收到断开连接的最后的 ACK 报⽂，就会触发超时重发 Fin 报⽂，另⼀⽅接收到 FIN 后，会重发 ACK 给被动关闭⽅，⼀来⼀去正好 2 个 MSL。

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内，因为客户端的 ACK没有传输到服务端，客户端⼜接收到了服务端重发的 FIN 报⽂，那么 2MSL 时间将重新计时。

在 Linux 系统⾥ 2MSL 默认是 60 秒，那么⼀个 MSL 也就是 30 秒。Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒。

其定义在 Linux 内核代码⾥的名称为TCP_TIMEWAIT_LEN：

#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT
 state, about 60 seconds */

如果要修改 TIME_WAIT 的时间⻓度，只能修改 Linux 内核代码⾥ TCP_TIMEWAIT_LEN 的值，并᯿新编译 Linux内核。

2、为什么需要 TIME_WAIT 状态？

主动发起关闭连接的⼀⽅，才会有 TIME-WAIT 状态。

需要 TIME-WAIT 状态，主要是两个原因：

防⽌具有相同「四元组」的「旧」数据包被收到；
保证「被动关闭连接」的⼀⽅能被正确的关闭，即保证最后的 ACK 能让被动关闭⽅接收，从⽽帮助其正常关闭；

（1）原因⼀：防止旧连接的数据包

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短，被延迟的数据包抵达后会发⽣什么呢？

如上图⻩⾊框框服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报⽂，被⽹络延迟了。
这时有相同端⼝的 TCP 连接被复⽤后，被延迟的 SEQ = 301 抵达了客户端，那么客户端是有可能正常接收这个过期的报⽂，这就会产⽣数据错乱等严重的问题。

所以，TCP 就设计出了这么⼀个机制，经过 2MSL 这个时间，⾜以让两个⽅向上的数据包都被丢弃，使得原来连接的数据包在⽹络中都⾃然消失，再出现的数据包⼀定都是新建⽴连接所产⽣的。

（2）原因⼆：保证连接正确关闭

TIME-WAIT 另一个作⽤是等待⾜够的时间以确保最后的 ACK 能让被动关闭⽅接收，从⽽帮助其正常关闭。

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短，断开连接会造成什么问题呢？

如上图红⾊框框客户端四次挥⼿的最后⼀个 ACK 报⽂如果在⽹络中被丢失了，此时如果客户端 TIME-WAIT 过短或没有，则就直接进⼊了 CLOSED 状态了，那么服务端则会⼀直处在 LASE_ACK 状态。
当客户端发起建⽴连接的 SYN 请求报⽂后，服务端会发送 RST 报⽂给客户端，连接建⽴的过程就会被终⽌。

如果 TIME-WAIT 等待足够长的情况就会遇到两种情况：

服务端正常收到四次挥⼿的最后⼀个 ACK 报⽂，则服务端正常关闭连接。
服务端没有收到四次挥⼿的最后⼀个 ACK 报⽂时，则会᯿发 FIN 关闭连接报⽂并等待新的 ACK 报⽂。

所以客户端在 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 时间后，就可以保证双⽅的连接都可以正常的关闭。

3、TIME_WAIT 过多有什么危害？

如果服务器有处于 TIME-WAIT 状态的 TCP，则说明是由服务器⽅主动发起的断开请求。

过多的 TIME-WAIT 状态主要的危害有两种：

第⼀是内存资源占用；
第⼆是对端⼝资源的占⽤，⼀个 TCP 连接⾄少消耗⼀个本地端口；

第⼆个危害是会造成严᯿的后果的，要知道，端⼝资源也是有限的，⼀般可以开启的端⼝为 32768～61000 ，也可以通过如下参数设置指定。

net.ipv4.ip_local_port_range

如果发起连接⼀⽅的 TIME_WAIT 状态过多，占满了所有端⼝资源，则会导致⽆法创建新连接。

客户端受端⼝资源限制：

客户端TIME_WAIT过多，就会导致端⼝资源被占⽤，因为端⼝就65536个，被占满就会导致⽆法创建新的连接。

服务端受系统资源限制：

由于⼀个四元组表示 TCP 连接，理论上服务端可以建⽴很多连接，服务端确实只监听⼀个端⼝但是会把连接扔给处理线程，所以理论上监听的端⼝可以继续监听。但是线程池处理不了那么多⼀直不断的连接了。所以当服务端出现⼤量 TIME_WAIT 时，系统资源被占满时，会导致处理不过来新的连接。

4、如何优化 TIME_WAIT？

各种方法都是有利有弊的。主要方法如下：

打开 net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 net.ipv4.tcp_timestamps 选项；
输入net.ipv4.ip_local_port_rangenet.ipv4.tcp_max_tw_buckets
程序中使⽤ SO_LINGER ，应⽤强制使⽤ RST 关闭。

（1）方式⼀：net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 tcp_timestamps

如下的 Linux 内核参数开启后，则可以复⽤处于 TIME_WAIT 的 socket 为新的连接所⽤。

有⼀点需要注意的是，tcp_tw_reuse 功能只能⽤客户端（连接发起⽅），因为开启了该功能，在调⽤ connect()函数时，内核会随机找⼀个 time_wait 状态超过 1 秒的连接给新的连接复⽤。

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

使⽤这个选项，还有⼀个前提，需要打开对 TCP 时间戳的⽀持，即

net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）

这个时间戳的字段是在 TCP 头部的「选项」⾥，⽤于记录 TCP 发送⽅的当前时间戳和从对端接收到的最新时间戳。

由于引⼊了时间戳，我们在前⾯提到的 2MSL 问题就不复存在了，因为᯿复的数据包会因为时间戳过期被⾃然丢弃。

（2）方式⼆：net.ipv4.tcp_max_tw_buckets

这个值默认为 18000，当系统中处于 TIME_WAIT 的连接⼀旦超过这个值时，系统就会将后⾯的 TIME_WAIT 连接状态重置。

这个⽅法过于暴⼒，而且治标不治本，带来的问题远⽐解决的问题多，不推荐使⽤。

（3）方式三：程序中使⽤ SO_LINGER

可以通过设置 socket 选项，来设置调⽤ close 关闭连接⾏为。

struct linger so_linger;
so_linger.l_onoff = 1;
so_linger.l_linger = 0;
setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger,sizeof(so_linger));

如果 l_onoff 为⾮ 0，且 l_linger 值为 0，那么调⽤ close 后，会⽴该发送⼀个 RST 标志给对端，该 TCP 连接将跳过四次挥⼿，也就跳过了 TIME_WAIT 状态，直接关闭。

但这为跨越 TIME_WAIT 状态提供了⼀个可能，不过是⼀个⾮常危险的⾏为，不值得提倡。

整理自小林coding所著的《图解网络》，仅做学习用，侵删

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