TCP 三次握手原理，你真的理解嗎？
問題描述
場景：JAVA的client和server，使用socket通信。server使用NIO。
1.間歇性得出現(xiàn)client向server建立連接三次握手已經(jīng)完成，但server的selector沒有響應(yīng)到這連接。
2.出問題的時間點，會同時有很多連接出現(xiàn)這個問題。
3.selector沒有銷毀重建，一直用的都是一個。
4.程序剛啟動的時候必會出現(xiàn)一些，之后會間歇性出現(xiàn)。
分析問題
正常TCP建連接三次握手過程：
- 第一步：client 發(fā)送 syn 到server 發(fā)起握手；
- 第二步：server 收到 syn后回復syn+ack給client；
- 第三步：client 收到syn+ack后，回復server一個ack表示收到了server的syn+ack（此時client的56911端口的連接已經(jīng)是established）。
從問題的描述來看，有點像TCP建連接的時候全連接隊列（accept隊列，后面具體講）滿了，尤其是癥狀2、4. 為了證明是這個原因，馬上通過 netstat -s | egrep "listen" 去看隊列的溢出統(tǒng)計數(shù)據(jù)：
反復看了幾次之后發(fā)現(xiàn)這個overflowed 一直在增加，那么可以明確的是server上全連接隊列一定溢出了。
接著查看溢出后，OS怎么處理：
tcp_abort_on_overflow 為0表示如果三次握手第三步的時候全連接隊列滿了那么server扔掉client 發(fā)過來的ack（在server端認為連接還沒建立起來）
為了證明客戶端應(yīng)用代碼的異常跟全連接隊列滿有關(guān)系，我先把tcp_abort_on_overflow修改成 1，1表示第三步的時候如果全連接隊列滿了，server發(fā)送一個reset包給client，表示廢掉這個握手過程和這個連接（本來在server端這個連接就還沒建立起來）。
接著測試，這時在客戶端異常中可以看到很多connection reset by peer的錯誤，到此證明客戶端錯誤是這個原因?qū)е碌模ㄟ壿媷乐敗⒖焖僮C明問題的關(guān)鍵點所在）。
于是開發(fā)同學翻看java 源代碼發(fā)現(xiàn)socket 默認的backlog（這個值控制全連接隊列的大小，后面再詳述）是50，于是改大重新跑，經(jīng)過12個小時以上的壓測，這個錯誤一次都沒出現(xiàn)了，同時觀察到 overflowed 也不再增加了。
到此問題解決，簡單來說TCP三次握手后有個accept隊列，進到這個隊列才能從Listen變成accept，默認backlog 值是50，很容易就滿了。滿了之后握手第三步的時候server就忽略了client發(fā)過來的ack包（隔一段時間server重發(fā)握手第二步的syn+ack包給client），如果這個連接一直排不上隊就異常了。
但是不能只是滿足問題的解決，而是要去復盤解決過程，中間涉及到了哪些知識點是我所缺失或者理解不到位的；這個問題除了上面的異常信息表現(xiàn)出來之外，還有沒有更明確地指征來查看和確認這個問題。
深入理解TCP握手過程中建連接的流程和隊列
（圖片來源：http://www.cnxct.com/something-about-phpfpm-s-backlog/）
如上圖所示，這里有兩個隊列：syns queue(半連接隊列）；accept queue（全連接隊列）。
三次握手中，在第一步server收到client的syn后，把這個連接信息放到半連接隊列中，同時回復syn+ack給client（第二步）；
第三步的時候server收到client的ack，如果這時全連接隊列沒滿，那么從半連接隊列拿出這個連接的信息放入到全連接隊列中，否則按tcp_abort_on_overflow指示的執(zhí)行。
這時如果全連接隊列滿了并且tcp_abort_on_overflow是0的話，server過一段時間再次發(fā)送syn+ack給client（也就是重新走握手的第二步），如果client超時等待比較短，client就很容易異常了。
在我們的os中retry 第二步的默認次數(shù)是2（centos默認是5次）：
如果TCP連接隊列溢出，有哪些指標可以看呢？
上述解決過程有點繞，聽起來懵，那么下次再出現(xiàn)類似問題有什么更快更明確的手段來確認這個問題呢？（通過具體的、感性的東西來強化我們對知識點的理解和吸收。）
netstat -s
比如上面看到的 667399 times ，表示全連接隊列溢出的次數(shù)，隔幾秒鐘執(zhí)行下，如果這個數(shù)字一直在增加的話肯定全連接隊列偶爾滿了。
ss 命令
上面看到的第二列Send-Q 值是50，表示第三列的listen端口上的全連接隊列最大為50，第一列Recv-Q為全連接隊列當前使用了多少。
全連接隊列的大小取決于：min(backlog, somaxconn) . backlog是在socket創(chuàng)建的時候傳入的，somaxconn是一個os級別的系統(tǒng)參數(shù)。
這個時候可以跟我們的代碼建立聯(lián)系了，比如Java創(chuàng)建ServerSocket的時候會讓你傳入backlog的值：
（來自JDK幫助文檔：https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/net/ServerSocket.html）
半連接隊列的大小取決于：max(64, /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog)，不同版本的os會有些差異。
我們寫代碼的時候從來沒有想過這個backlog或者說大多時候就沒給他值（那么默認就是50），直接忽視了他，首先這是一個知識點的盲點；其次也許哪天你在哪篇文章中看到了這個參數(shù)，當時有點印象，但是過一陣子就忘了，這是知識之間沒有建立連接，不是體系化的。但是如果你跟我一樣首先經(jīng)歷了這個問題的痛苦，然后在壓力和痛苦的驅(qū)動自己去找為什么，同時能夠把為什么從代碼層推理理解到OS層，那么這個知識點你才算是比較好地掌握了，也會成為你的知識體系在TCP或者性能方面成長自我生長的一個有力抓手。
netstat 命令
netstat跟ss命令一樣也能看到Send-Q、Recv-Q這些狀態(tài)信息，不過如果這個連接不是Listen狀態(tài)的話，Recv-Q就是指收到的數(shù)據(jù)還在緩存中，還沒被進程讀取，這個值就是還沒被進程讀取的 bytes；而 Send 則是發(fā)送隊列中沒有被遠程主機確認的 bytes 數(shù)。
netstat -tn 看到的 Recv-Q 跟全連接半連接沒有關(guān)系，這里特意拿出來說一下是因為容易跟 ss -lnt 的 Recv-Q 搞混淆，順便建立知識體系，鞏固相關(guān)知識點 。
比如如下netstat -t 看到的Recv-Q有大量數(shù)據(jù)堆積，那么一般是CPU處理不過來導致的：
上面是通過一些具體的工具、指標來認識全連接隊列（工程效率的手段）。
實踐驗證一下上面的理解
把java中backlog改成10（越小越容易溢出），繼續(xù)跑壓力，這個時候client又開始報異常了，然后在server上通過 ss 命令觀察到：
按照前面的理解，這個時候我們能看到3306這個端口上的服務(wù)全連接隊列最大是10，但是現(xiàn)在有11個在隊列中和等待進隊列的，肯定有一個連接進不去隊列要overflow掉，同時也確實能看到overflow的值在不斷地增大。
Tomcat和Nginx中的Accept隊列參數(shù)
Tomcat默認短連接，backlog（Tomcat里面的術(shù)語是Accept count）Ali-tomcat默認是200, Apache Tomcat默認100。
Nginx默認是511
因為Nginx是多進程模式，所以看到了多個8085，也就是多個進程都監(jiān)聽同一個端口以盡量避免上下文切換來提升性能
總結(jié)
全連接隊列、半連接隊列溢出這種問題很容易被忽視，但是又很關(guān)鍵，特別是對于一些短連接應(yīng)用（比如Nginx、PHP，當然他們也是支持長連接的）更容易爆發(fā)。 一旦溢出，從cpu、線程狀態(tài)看起來都比較正常，但是壓力上不去，在client看來rt也比較高（rt=網(wǎng)絡(luò)+排隊+真正服務(wù)時間），但是從server日志記錄的真正服務(wù)時間來看rt又很短。
jdk、netty等一些框架默認backlog比較小，可能有些情況下導致性能上不去。
希望通過本文能夠幫大家理解TCP連接過程中的半連接隊列和全連接隊列的概念、原理和作用，更關(guān)鍵的是有哪些指標可以明確看到這些問題（工程效率幫助強化對理論的理解）。
另外每個具體問題都是最好學習的機會，光看書理解肯定是不夠深刻的，請珍惜每個具體問題，碰到后能夠把來龍去脈弄清楚，每個問題都是你對具體知識點通關(guān)的好機會。
最后提出相關(guān)問題給大家思考
全連接隊列滿了會影響半連接隊列嗎？
netstat -s看到的overflowed和ignored的數(shù)值有什么聯(lián)系嗎？
如果client走完了TCP握手的第三步，在client看來連接已經(jīng)建立好了，但是server上的對應(yīng)連接實際沒有準備好，這個時候如果client發(fā)數(shù)據(jù)給server，server會怎么處理呢？（有同學說會reset，你覺得呢？）
提出這些問題，希望以這個知識點為抓手，讓你的知識體系開始自我生長。
參考文章
http://veithen.github.io/2014/01/01/how-tcp-backlog-works-in-linux.html
http://www.cnblogs.com/zengkefu/p/5606696.html
http://www.cnxct.com/something-about-phpfpm-s-backlog/
http://jaseywang.me/2014/07/20/tcp-queue-%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E9%97%AE%E9%A2%98/
http://jin-yang.github.io/blog/network-synack-queue.html#
http://blog.chinaunix.net/uid-20662820-id-4154399.html
【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術(shù)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】
