解Bug之路-NAT引發(fā)的性能瓶頸-完整版

筆者最近解決了一個(gè)非常曲折的問題，從抓包開始一路排查到不同內(nèi)核版本間的細(xì)微差異，最后才完美解釋了所有的現(xiàn)象。在這里將整個(gè)過程寫成博文記錄下來，希望能夠?qū)ψx者有所幫助。(篇幅可能會(huì)有點(diǎn)長(zhǎng),耐心看完,絕對(duì)物有所值~)

環(huán)境介紹

先來介紹一下出問題的環(huán)境吧，調(diào)用拓?fù)淙缦聢D所示:

調(diào)用拓?fù)鋱D

合作方的多臺(tái)機(jī)器用NAT將多個(gè)源ip映射成同一個(gè)出口ip 20.1.1.1，而我們內(nèi)網(wǎng)將多個(gè)Nginx映射成同一個(gè)目的ip 30.1.1.1。這樣，在防火墻和LVS之間，所有的請(qǐng)求始終是通過(20.1.1.1,30.1.1.1)這樣一個(gè)ip地址對(duì)進(jìn)行訪問。
同時(shí)還固定了一個(gè)參數(shù)，那就是目的端口號(hào)始終是443。

短連接-HTTP1.0

由于對(duì)方是采用短連接和Nginx進(jìn)行交互的，而且采用的協(xié)議是HTTP-1.0。所以我們的Nginx在每個(gè)請(qǐng)求完成后，會(huì)主動(dòng)關(guān)閉連接，從而造成有大量的TIME_WAIT。

值得注意的是，TIME_WAIT取決于Server端和Client端誰(shuí)先關(guān)閉這個(gè)Socket。所以Nginx作為Server端先關(guān)閉的話，也必然會(huì)產(chǎn)生TIME_WAIT。

內(nèi)核參數(shù)配置

內(nèi)核參數(shù)配置如下所示:

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_reuse 0
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle 0
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps 1

其中tcp_tw_recycle設(shè)置為0。這樣，可以有效解決tcp_timestamps和tcp_tw_recycle在NAT情況下導(dǎo)致的連接失敗問題。具體見筆者之前的博客:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/3119992

Bug現(xiàn)場(chǎng)

好了，介紹完環(huán)境，我們就可以正式描述Bug現(xiàn)場(chǎng)了。

Client端大量創(chuàng)建連接異常,而Server端無法感知

表象是合作方的應(yīng)用出現(xiàn)大量的創(chuàng)建連接異常，而Server端卻沒有任何關(guān)于這些異常的任何異常日志，仿佛就從來沒有出現(xiàn)過這些請(qǐng)求一樣。

LVS監(jiān)控曲線

出現(xiàn)問題后，筆者翻了下LVS對(duì)應(yīng)的監(jiān)控曲線，其中有個(gè)曲線的變現(xiàn)非常的詭異。如下圖所示:

什么情況?看上去像建立不了連接了？但是雖然業(yè)務(wù)有大量的報(bào)錯(cuò)，依舊有很高的訪問量,看日志的話，每秒請(qǐng)求應(yīng)該在550向上!和這個(gè)曲線上面每秒只有30個(gè)新建連接是矛盾的！

每天發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)非常接近

觀察了幾天后。發(fā)現(xiàn)，每天都在10點(diǎn)左右開始發(fā)生報(bào)錯(cuò)，同時(shí)在12點(diǎn)左右就慢慢恢復(fù)。

感覺就像每天10點(diǎn)在做活動(dòng)，導(dǎo)致流量超過了系統(tǒng)瓶頸，進(jìn)而暴露出問題。而11:40之后，流量慢慢下降，系統(tǒng)才慢慢恢復(fù)。難道LVS這點(diǎn)量都撐不住?才550TPS啊？就崩潰了？

難道是網(wǎng)絡(luò)問題?

難道就是傳說中的網(wǎng)絡(luò)問題？看了下監(jiān)控，流量確實(shí)增加，不過只占了將近1/8的帶寬，離打爆網(wǎng)絡(luò)還遠(yuǎn)著呢。

進(jìn)行抓包

不管三七二十一，先抓包吧!

抓包結(jié)果

在這里筆者給出一個(gè)典型的抓包結(jié)果:

上面抓包結(jié)果如下圖所示,一開始33735->443這個(gè)Socket四次揮手。在將近兩分鐘后又使用了同一個(gè)33735端口和443建立連接，443給33735回了一個(gè)莫名其妙的Ack,導(dǎo)致33735發(fā)了RST！

現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的?

首先最可疑的是為什么發(fā)送了一個(gè)莫名其妙的Ack回來?筆者想到,這個(gè)Ack是WireShark給我計(jì)算出來的。為了我們方便，WireShark會(huì)根據(jù)Seq=0而調(diào)整Ack的值。事實(shí)上，真正的Seq是個(gè)隨機(jī)數(shù)！有沒有可能是WireShark在某些情況下計(jì)算錯(cuò)誤？
還是看看最原始的未經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)吧，于是筆者將wireshark的

Relative sequence numbers

給取消了。取消后的抓包結(jié)果立馬就有意思了!調(diào)整過后抓包結(jié)果如下所示:

看表中，四次揮手里面的Seq和Ack對(duì)應(yīng)的值和三次回收中那個(gè)錯(cuò)誤的ACK完全一致！也就是說，四次回收后，五元組并沒有消失，而是在111.5s內(nèi)還存活著！按照TCPIP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，只有TIME_WAIT狀態(tài)才會(huì)如此。

我們可以看看Linux關(guān)于TIME_WAIT處理的內(nèi)核源碼:

    switch (tcp_timewait_state_process(inet_twsk(sk), skb, th)) {
    // 如果是TCP_TW_SYN，那么允許此SYN分節(jié)重建連接
    // 即允許TIM_WAIT狀態(tài)躍遷到SYN_RECV
    case TCP_TW_SYN: {
        struct sock *sk2 = inet_lookup_listener(dev_net(skb->dev),
                            &tcp_hashinfo,
                            iph->saddr, th->source,
                            iph->daddr, th->dest,
                            inet_iif(skb));
        if (sk2) {
            inet_twsk_deschedule(inet_twsk(sk), &tcp_death_row);
            inet_twsk_put(inet_twsk(sk));
            sk = sk2;
            goto process;
        }
        /* Fall through to ACK */
    }
    // 如果是TCP_TW_ACK，那么，返回記憶中的ACK,這和我們的現(xiàn)象一致
    case TCP_TW_ACK:
        tcp_v4_timewait_ack(sk, skb);
        break;
    // 如果是TCP_TW_RST直接發(fā)送RESET包
    case TCP_TW_RST:
        tcp_v4_send_reset(sk, skb);
        inet_twsk_deschedule(inet_twsk(sk), &tcp_death_row);
        inet_twsk_put(inet_twsk(sk));
        goto discard_it;
    // 如果是TCP_TW_SUCCESS則直接丟棄此包，不做任何響應(yīng)
    case TCP_TW_SUCCESS:;
    }
    goto discard_it;

上面的代碼有兩個(gè)分支，值得我們注意，一個(gè)是TCP_TW_ACK，在這個(gè)分支下，返回TIME_WAIT記憶中的ACK和我們的抓包現(xiàn)象一模一樣。還有一個(gè)TCP_TW_SYN,它表明了在
TIME_WAIT狀態(tài)下，可以立馬重用此五元組，跳過2MSL而達(dá)到SYN_RECV狀態(tài)！
狀態(tài)的遷移就在于tcp_timewait_state_process這個(gè)函數(shù),我們著重看下想要觀察的分支:

enum tcp_tw_status
tcp_timewait_state_process(struct inet_timewait_sock *tw, struct sk_buff *skb,
               const struct tcphdr *th)
{
    bool paws_reject = false;
    ......
    paws_reject = tcp_paws_reject(&tmp_opt, th->rst);
    if (!paws_reject &&
        (TCP_SKB_CB(skb)->seq == tcptw->tw_rcv_nxt &&
         (TCP_SKB_CB(skb)->seq == TCP_SKB_CB(skb)->end_seq || th->rst))) {
        ......
        // 重復(fù)的ACK,discard此包
        return TCP_TW_SUCCESS;
    }
    // 如果是SYN分節(jié)，而且通過了paws校驗(yàn)
    if (th->syn && !th->rst && !th->ack && !paws_reject &&
        (after(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tcptw->tw_rcv_nxt) ||
         (tmp_opt.saw_tstamp &&
          (s32)(tcptw->tw_ts_recent - tmp_opt.rcv_tsval) < 0))) {
        ......
        // 返回TCP_TW_SYN,允許重用TIME_WAIT五元組重新建立連接
        return TCP_TW_SYN;
    }
    // 如果沒有通過paws校驗(yàn)，則增加統(tǒng)計(jì)參數(shù)
    if (paws_reject)
        NET_INC_STATS_BH(twsk_net(tw), LINUX_MIB_PAWSESTABREJECTED);
    if (!th->rst) {
        // 如果沒有通過paws校驗(yàn)，而且這個(gè)分節(jié)包含ack,則將TIMEWAIT持續(xù)時(shí)間重新延長(zhǎng)
        // 我們抓包結(jié)果的結(jié)果沒有ACK,只有SYN,所以并不會(huì)延長(zhǎng)
        if (paws_reject || th->ack)
            inet_twsk_schedule(tw, &tcp_death_row, TCP_TIMEWAIT_LEN,
                       TCP_TIMEWAIT_LEN);
        // 返回TCP_TW_ACK,也即TCP重傳ACK到對(duì)面
        return TCP_TW_ACK;
    }
}

根據(jù)上面源碼，PAWS(Protect Againest Wrapped Sequence numbers防止回繞)校驗(yàn)機(jī)制如果生效而拒絕此分節(jié)的話，LINUX_MIB_PAWSESTABREJECTED這個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)會(huì)增加，對(duì)應(yīng)于Linux中的命令即是:

netstat -s | grep reject
216576 packets rejects in established connections because of timestamp

這么上去后端的Nginx一統(tǒng)計(jì)，果然有大量的報(bào)錯(cuò)。而且根據(jù)筆者的觀察，這個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)急速增加的時(shí)間段就是出問題的時(shí)間段，也就是每天早上10:00-12:00左右。每次大概會(huì)增加1W多個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
那么什么時(shí)候PAWS會(huì)不通過呢，我們直接看下tcp_paws_reject的源碼吧:

static inline int tcp_paws_reject(const struct tcp_options_received *rx_opt,
                  int rst)
{
    if (tcp_paws_check(rx_opt, 0))
        return 0;
    // 如果是rst，則放松要求，60s沒有收到對(duì)端報(bào)文，認(rèn)為PAWS檢測(cè)通過 
    if (rst && get_seconds() >= rx_opt->ts_recent_stamp + TCP_PAWS_MSL)
        return 0;
    return 1;
}

static inline int tcp_paws_check(const struct tcp_options_received *rx_opt,
                 int paws_win)
{

    // 如果ts_recent中記錄的上次報(bào)文（SYN）的時(shí)間戳，小于當(dāng)前報(bào)文的時(shí)間戳（TSval），表明paws檢測(cè)通過
    // paws_win = 0
    if ((s32)(rx_opt->ts_recent - rx_opt->rcv_tsval) <= paws_win)
        return 1;
    // 否則，上一次獲得ts_recent時(shí)間戳的時(shí)刻的24天之后，為真表明已經(jīng)有超過24天沒有接收到對(duì)端的報(bào)文了，認(rèn)為PAWS檢測(cè)通過
    if (unlikely(get_seconds() >= rx_opt->ts_recent_stamp + TCP_PAWS_24DAYS))
        return 1;

    return 0;
}

在抓包的過程中，我們明顯發(fā)現(xiàn)，在四次揮手時(shí)候，記錄的tsval是2149756058,而下一次syn三次握手的時(shí)候是21495149222,反而比之前的小了！

所以PAWS校驗(yàn)不過。
那么為什么會(huì)這個(gè)SYN時(shí)間戳比之前揮手的時(shí)間戳還小呢?那當(dāng)然是NAT的鍋嘍，NAT把多臺(tái)機(jī)器的ip虛擬成同一個(gè)ip。但是多臺(tái)機(jī)器的時(shí)間戳(也即從啟動(dòng)開始到現(xiàn)在的時(shí)間，非墻上時(shí)間),如下圖所示:

但是還有一個(gè)疑問,筆者記得TIME_WAIT也即2MSL在Linux的代碼里面是定義為了60s。為何抓包的結(jié)果卻存活了將近2分鐘之久呢？

TIME_WAIT的持續(xù)時(shí)間

于是筆者開始閱讀關(guān)于TIME_WAIT定時(shí)器的源碼，具體可見筆者的另一篇博客:

從Linux源碼看TIME_WAIT狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間
https://my.oschina.net/alchemystar/blog/4690516

結(jié)論如下

在TIME_WAIT很多的狀態(tài)下，TIME_WAIT能夠存活112.5s，將近兩分鐘的時(shí)間，和我們的抓包結(jié)果一致。
當(dāng)然了，這個(gè)計(jì)算只是針對(duì)Linux 2.6和3.10內(nèi)核而言，而對(duì)紅帽維護(hù)的3.10.1127內(nèi)核版本則會(huì)有另外的變化，這個(gè)變化導(dǎo)致了一個(gè)令筆者感到非常奇異的現(xiàn)象，這個(gè)在后面會(huì)提到。

問題發(fā)生條件

如上面所解釋，只有在Server端TIME_WAIT還沒有消失時(shí)候,重用這個(gè)Socket的時(shí)候，遇上了反序的時(shí)間戳SYN，就會(huì)發(fā)生這種問題。由于NAT前面的所有機(jī)器時(shí)間戳都不相同，所以有很大概率會(huì)導(dǎo)致時(shí)間戳反序！

那么什么時(shí)候重用TIME_WAIT狀態(tài)的Socket呢

筆者知道，防火墻的端口號(hào)選擇邏輯是RoundRobin的，也即從2048開始一直增長(zhǎng)到65535，再回繞到2048,如下圖所示:

為什么壓測(cè)的時(shí)候不出現(xiàn)問題

但我們?cè)诰€下壓測(cè)的時(shí)候，明顯速率遠(yuǎn)超560tps,那為何卻沒有這樣的問題出現(xiàn)呢。很簡(jiǎn)單，是因?yàn)?/span>
TCP_SYN_SUCCESS這個(gè)分支，由于我們的壓測(cè)機(jī)沒有過NAT，那么時(shí)間戳始終保持單IP下的單調(diào)遞增，即便>560TPS之后，走的也是TCP_SYN_SUCCESS,將TIME_WAIT Socket重用為SYN_RECV,自然不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，如下圖所示:

如何解釋LVS的監(jiān)控曲線?

等等,564TPS?這個(gè)和LVS陡然下跌的TPS基本相同！難道在端口號(hào)復(fù)用之后LVS就不會(huì)新建連接(其實(shí)是LVS中的session表項(xiàng))？從而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)參數(shù)并不增加?
于是筆者直接去擼了一下LVS的源碼:

tcp_conn_schedule
        |->ip_vs_schedule
            /* 如果新建conn表項(xiàng)成功，則對(duì)已有連接數(shù)++ */
            |->ip_vs_conn_stats
而在我們的入口函數(shù)ip\_vs\_in中
static unsigned int
ip_vs_in(unsigned int hooknum, struct sk_buff *skb,
     const struct net_device *in, const struct net_device *out,
     int (*okfn) (struct sk_buff *))
{
    ......
    // 如果能找到對(duì)應(yīng)的五元組
    cp = pp->conn_in_get(af, skb, pp, &iph, iph.len, 0, &res_dir);

    if (likely(cp)) {
        /* For full-nat/local-client packets, it could be a response */
        if (res_dir == IP_VS_CIDX_F_IN2OUT) {
            return handle_response(af, skb, pp, cp, iph.len);
        }
    } else {
        /* create a new connection */
        int v;
        // 找不到對(duì)應(yīng)的五元組，則新建連接，同時(shí)conn++
        if (!pp->conn_schedule(af, skb, pp, &v, &cp))
            return v;
    }
    ......
}

很明顯的，如果當(dāng)前五元組表項(xiàng)存在，則直接復(fù)用表項(xiàng)，而不存在，才創(chuàng)建新的表項(xiàng)，同時(shí)conn++。而表項(xiàng)需要在LVS的Fintimeout時(shí)間超過后才消失(在筆者的環(huán)境里面是120s)。這樣，在端口號(hào)復(fù)用的時(shí)候，因?yàn)?lt;112.5s，所以LVS會(huì)直接復(fù)用表項(xiàng)，而統(tǒng)計(jì)參數(shù)不會(huì)有任何變化，從而導(dǎo)致了下面這個(gè)曲線。

當(dāng)流量慢慢變小，無法達(dá)到重用端口號(hào)的條件的時(shí)候，曲線又會(huì)垂直上升。和筆者的推測(cè)一致。也就是說在五元組固定四元的情況下>529tps(63487/120)的時(shí)候，在此固定業(yè)務(wù)下的新建連接數(shù)不會(huì)增加。

而圖中僅存的560-529=>21+個(gè)連接創(chuàng)建，是由另一個(gè)業(yè)務(wù)的vip引起，在這個(gè)vip上，由于量很小，沒有端口復(fù)用。但是LVS統(tǒng)計(jì)的是總數(shù)量，所以在端口號(hào)開始復(fù)用之后，始終會(huì)有少量的新建連接存在。

值得注意的是，端口號(hào)復(fù)用之后，LVS轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候就會(huì)直接使用這個(gè)映射表項(xiàng)，所以相同的五元組到LVS后會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給相同的Nginx,而不會(huì)進(jìn)行WRR(Weight Round Robin)負(fù)載均衡,表現(xiàn)出了一定的”親和性”。如下圖所示:

NAT下固定ip地址對(duì)的性能瓶頸

好了，現(xiàn)在可以下結(jié)論了。在ip源和目的地址固定，目的端口號(hào)也固定的情況下，五元組的可變量只有ip源端口號(hào)了。而源端口號(hào)最多是65535個(gè)，如果計(jì)算保留端口號(hào)(0-2048)的話(假設(shè)防火墻保留2048個(gè))，那么最多可使用63487個(gè)端口。
由于每使用一個(gè)端口號(hào)，在高負(fù)載的情況下，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)112.5s才消失的TIME_WAIT。那么在63487/112.5也就是564TPS(使用短連接)的情況下，就會(huì)復(fù)用TIME_WAIT下的Socket。再加上PAWS校驗(yàn)，就會(huì)造成大量的連接創(chuàng)建異常！
這個(gè)論斷和筆者觀察到的應(yīng)用報(bào)錯(cuò)以及LVS監(jiān)控曲線一致。

LVS曲線異常事件和報(bào)錯(cuò)時(shí)間接近

因?yàn)長(zhǎng)VS是在529TPS時(shí)候開始垂直下降，而端口號(hào)復(fù)用是在564TPS的時(shí)候開始，兩者所需TPS非常接近，所以一般LVS出現(xiàn)曲線異常的時(shí)候，基本就是開始報(bào)錯(cuò)的時(shí)候！但是LVS曲線異常只能表明復(fù)用表項(xiàng)，并不能表明一定有問題，因?yàn)榭梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)某些內(nèi)核參數(shù)使得在端口號(hào)復(fù)用的時(shí)候不報(bào)錯(cuò)！

在端口號(hào)復(fù)用情況下，lvs本身的新建連接數(shù)無法代表真實(shí)TPS。

嘗試修復(fù)

設(shè)置tcp_tw_max_bucket

首先，筆者嘗試限制Nginx所在Linux中最大TIME_WAIT數(shù)量

echo '5000'  > /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_max_bucket

這基于一個(gè)很簡(jiǎn)單的想法，TIME_WAIT狀態(tài)越少，那么命中TIME_WAIT狀態(tài)Socket的概率肯定越小。設(shè)置了之后，確實(shí)報(bào)錯(cuò)量確實(shí)減少了好多。但由于TPS超越極限之后端口號(hào)不停的回繞，導(dǎo)致還是一直在報(bào)錯(cuò)，不會(huì)有根本性好轉(zhuǎn)。

如果將tcp_tw_max_bucket設(shè)置為0，那么按理論上來說不會(huì)出問題了。
但是無疑將TCP精心設(shè)計(jì)的TIME_WAIT這個(gè)狀態(tài)給廢棄了，筆者覺得這樣做過于冒險(xiǎn)，于是沒有進(jìn)行嘗試。

嘗試擴(kuò)展源地址

這個(gè)問題本質(zhì)是由于五元組在限定了4元，只有源端口號(hào)可變的情況下，端口號(hào)只有
2048-65535可用。那么我們放開源地址的限定，例如將源IP增加到3個(gè)，無疑可以將TPS擴(kuò)大三倍。

同理，將目的地址給擴(kuò)容，也能達(dá)到類似的效果。
但據(jù)網(wǎng)工反映，合作方通過他們的防火墻出來之后就只有一個(gè)IP,而一個(gè)IP在我們的防火墻上并不能映射成多個(gè)IP,多以在不變更它們網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的情況下無法擴(kuò)展源地址。而擴(kuò)容目的地址，也需要對(duì)合作方網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進(jìn)行修改。本著不讓合作方改動(dòng)的服務(wù)精神，筆者開始嘗試其它方案。

擴(kuò)容Nginx?沒效果

在一開始筆者沒有搞明白LVS那個(gè)詭異的曲線的時(shí)候，筆者并不知道在端口復(fù)用的情況下,LVS會(huì)表現(xiàn)出”親和性”。于是想著，如果擴(kuò)容Nginx后，根據(jù)負(fù)載均衡原則，正好落到有這個(gè)TIME_WAIT五元組的概率會(huì)降低，所以嘗試著另擴(kuò)容了一倍的Nginx。但由于之前所說的LVS在端口號(hào)復(fù)用下的親和性，反而加大了TIME_WAIT段！

擴(kuò)容Nginx的奇異現(xiàn)象

在筆者想明白LVS的”親和性”之后，對(duì)擴(kuò)容Nginx會(huì)導(dǎo)致更多的報(bào)錯(cuò)已經(jīng)有了心理預(yù)期，不過被現(xiàn)實(shí)啪啪啪打臉!報(bào)錯(cuò)量和之前基本一樣。更奇怪的是，筆者發(fā)現(xiàn)非活躍連接數(shù)監(jiān)控(即非ESTABLISHED)狀態(tài)，會(huì)在端口號(hào)復(fù)用之后，呈現(xiàn)出一種負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，如下圖所示。

筆者上去新擴(kuò)容的Nginx看了一下，發(fā)現(xiàn)新Nginx只有很少量的由于PAWS引起的報(bào)錯(cuò)，增長(zhǎng)速率很慢，基本1個(gè)小時(shí)只有100多。而舊Nginx一個(gè)小時(shí)就有1W多！
那么按照這個(gè)錯(cuò)誤比例分布，就很好理解為什么形成這樣的曲線了。因?yàn)長(zhǎng)VS的親和性,在端口號(hào)復(fù)用時(shí)刻，落到舊Nginx上會(huì)大概率失敗，從而在Fintimeout到期后，重新選擇一個(gè)負(fù)載均衡的時(shí)候，如果落到新Nginx上，按照統(tǒng)計(jì)參數(shù)來看基本都會(huì)成功，但如果還是落到舊Nginx上則基本還會(huì)失敗，如此往復(fù)。就天然的形成了一個(gè)優(yōu)先選擇的過程，從而造成了這個(gè)曲線。

當(dāng)然實(shí)際的過程會(huì)比這個(gè)復(fù)雜一點(diǎn)，多一些步驟，但大體是這個(gè)思路。
而在端口復(fù)用結(jié)束后，不管落到哪個(gè)Nginx上都會(huì)成功，所以負(fù)載均衡又會(huì)慢慢趨于均衡。

為什么新擴(kuò)容的Nginx表現(xiàn)異常優(yōu)異呢?

新擴(kuò)容的Nginx表現(xiàn)異常優(yōu)異，在這個(gè)TPS下沒有問題，那到底是為什么呢？筆者想了一天都沒想明白。睡了一覺之后，對(duì)比了兩者的內(nèi)核參數(shù)，突然豁然開朗。原來新擴(kuò)容的Nginx所在的內(nèi)核版本變了，變成了3.10!
筆者連忙對(duì)比起了原來的2.6內(nèi)核和3.10的內(nèi)核版本變化，但毫無所得。。。思維又陷入了停滯

Linux官方3.10和紅帽的3.10.1127分支差異

等等，我們線上的內(nèi)核版本是3.10.1127,并不是官方的內(nèi)核，難道代碼有所不同？于是筆者立馬下載了3.10.1127的源碼。這一比對(duì)，終于讓筆者找到了原因所在，看如下代碼！

void inet_twdr_twkill_work(struct work_struct *work)
{
    struct inet_timewait_death_row *twdr =
        container_of(work, struct inet_timewait_death_row, twkill_work);
    bool rearm_timer = false;
    int i;

    BUILD_BUG_ON((INET_TWDR_TWKILL_SLOTS - 1) >
            (sizeof(twdr->thread_slots) * 8));

    while (twdr->thread_slots) {
        spin_lock_bh(&twdr->death_lock);
        for (i = 0; i < INET_TWDR_TWKILL_SLOTS; i++) {
            if (!(twdr->thread_slots & (1 << i)))
                continue;

            while (inet_twdr_do_twkill_work(twdr, i) != 0) {
                // 如果這次沒處理完，將rearm_timer設(shè)置為true
                rearm_timer = true;
                if (need_resched()) {
                    spin_unlock_bh(&twdr->death_lock);
                    schedule();
                    spin_lock_bh(&twdr->death_lock);
                }
            }

            twdr->thread_slots &= ~(1 << i);
        }
        spin_unlock_bh(&twdr->death_lock);
    }
    // 在這邊多了一個(gè)rearm_timer,并將定時(shí)器設(shè)置為1s之后
    // 這樣，原來需要額外等待的7.5s現(xiàn)在收斂為額外等待1s
    if (rearm_timer)
        mod_timer(&twdr->tw_timer, jiffies + HZ);
}

如代碼所示，3.10.1127對(duì)TIME_WAIT的時(shí)間輪處理做了加速，讓原來需要額外等待的7.5s收斂為額外等待的1s。經(jīng)過校正后的時(shí)間輪如下所示:

那么TIME_WAIT的存活時(shí)間就從112.5s下降到60.5s(計(jì)算公式8.5*7+1)。
那么，在這個(gè)狀態(tài)下，我們的端口復(fù)用臨界TPS就達(dá)到了(65535-2048)/60.5=1049tps,由于線上業(yè)務(wù)量并沒有達(dá)到這一tps。所以對(duì)于新擴(kuò)容的Nginx，并不會(huì)造成TIME_WAIT下的端口復(fù)用。所以錯(cuò)誤量并沒有變多！當(dāng)然，由于舊Nginx的存在，錯(cuò)誤量也沒有變少。
但是，由于那個(gè)神奇的選擇性負(fù)載均衡的存在，在端口復(fù)用時(shí)間越長(zhǎng)，每秒鐘的報(bào)錯(cuò)量會(huì)越少！直到LVS的表項(xiàng)全部指到新Nginx集群，就不會(huì)再有報(bào)錯(cuò)了！

TPS漲到1049tps依舊會(huì)報(bào)錯(cuò)

當(dāng)然了，根據(jù)上面的計(jì)算，在TPS繼續(xù)上漲到1049后，依舊會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。新版本內(nèi)核只不過拉高了臨界值，所以筆者還是要尋求更加徹底的解決方案。

順便吐槽一句

Linux TCP的實(shí)現(xiàn)對(duì)TIME_WAIT的處理用時(shí)間輪在筆者看來并不是什么高明的處理方式。
Linux本身對(duì)于Timer的處理本身就提供了紅黑樹這樣的方案。放著這樣好的方案不用，偏偏去實(shí)現(xiàn)一個(gè)精度不高還很復(fù)雜的時(shí)間輪。
所幸在Linux 4.x版本中，擯棄了時(shí)間輪，直接使用Linux本身的紅黑樹方案。感覺自然多了！

關(guān)閉tcp_timestamps

筆者一開始并不想修改這個(gè)參數(shù)，因?yàn)樾薷囊馕吨P(guān)閉PAWS校驗(yàn)。要是真有個(gè)什么亂序包之類，就少了一層防御手段。但是事到如今，為了不讓合作方修改，只能改這個(gè)參數(shù)了。不過由于是我們是專線！所以風(fēng)險(xiǎn)可控。

echo '0' > /proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps

運(yùn)行至今，業(yè)務(wù)上反饋良好。終于，這個(gè)問題終于被解決了！！！！！！
補(bǔ)充一句,關(guān)閉tcp_timestamps只是筆者在種種限制下所做的選擇，更好的方案應(yīng)該是擴(kuò)充源或者目的地址。

總結(jié)

解決這個(gè)問題真的是一波三折。在問題解決過程中，從LVS源碼看到Linux 2.6內(nèi)核對(duì)TIME_WAIT狀態(tài)的處理，再到3.10內(nèi)核和3.10.1127內(nèi)核之間的細(xì)微區(qū)別。
為了解釋所有的疑點(diǎn)，筆者始終在找尋著各種蛛絲馬跡。雖然不追尋這些，問題依舊大概率能夠通過各種嘗試得到解決。但是，那些奇怪的曲線始終縈繞在筆者心頭，讓筆者日思夜想。然后，突然靈光乍現(xiàn)，找到線索后頓悟的那種感覺實(shí)在是太棒了！這也是筆者解決復(fù)雜問題源源不斷的動(dòng)力！

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