CentOS下高并发socket最大连接数的限制因素

  sre

解除关于打开文件数量方面的系统限制

在Linux平台上,无论编写客户端程序还是服务端程序,在进行高并发TCP连接处理时,最高的并发数量都要受到系统对用户单一进程同时可打开文件数量的限制。
这是因为系统为每个TCP连接都要创建一个socket句柄,每个socket句柄同时也是一个文件句柄。可使用ulimit命令查看系统允许当前用户进程打开的文件数限制:

#用户进程可打开文件数限制
$ ulimit -n
1024

这表示当前用户的每个进程最多允许同时打开1024个文件,这1024个文件中还得除去每个进程必然打开的标准输入,标准输出,标准错误,服务器监听 socket,进程间通讯的unix域socket等文件,那么剩下的可用于客户端socket连接的文件数就只有大概1024-10=1014个左右。也就是说缺省情况下,基于Linux的通讯程序最多允许同时1014个TCP并发连接。

对于想支持更高数量的TCP并发连接的通讯处理程序,就必须修改Linux对当前用户的进程同时打开的文件数量的软限制(soft limit)和硬限制(hardlimit)。
其中软限制是指Linux在当前系统能够承受的范围内进一步限制用户同时打开的文件数;
硬限制则是根据系统硬件资源状况(主要是系统内存)计算出来的系统最多可同时打开的文件数量。
通常软限制小于或等于硬限制。修改上述限制的最简单的办法就是使用ulimit命令:

$ ulimit -n

上述命令中,指定要设置的单一进程允许打开的最大文件数。如果系统回显类似于“Operation notpermitted”之类的信息,说明限制修改失败。这样的反馈是因为指定的数值超过了Linux系统对该用户打开文件数的软限制或硬限制。因此,就需要修改Linux系统对用户的关于打开文件数的软限制和硬限制。
第一步,修改/etc/security/limits.conf文件,在文件中添加如下行:
$ vim /etc/security/limits.conf

user1 soft nofile 10240
user1 hard nofile 10240

其中,“user1”指定了要修改哪个用户的打开文件数限制,可用“*”号表示修改所有用户的限制;
soft或hard指定要修改软限制还是硬限制;
10240则指定了想要修改的新的限制值,即最大打开文件数(请注意软限制值要小于或等于硬限制)。

第二步,修改/etc/pam.d/login文件,在文件中添加如下行:
$ vim /etc/pam.d/login

session required /lib/security/pam_limits.so

这是告诉系统在用户完成系统登录后,应该调用pam_limits.so模块来设置系统对该用户可使用的各种资源数量的最大限制(包括用户可打开的最大文件数限制),而pam_limits.so模块就会从/etc/security/limits.conf文件中读取配置来设置这些限制值。

第三步,查看Linux系统级的最大打开文件数限制,使用如下命令:

$ cat /proc/sys/fs/file-max
12158

这表明这台Linux系统最多允许同时打开(即包含所有用户打开文件数总和)12158个文件,是Linux系统级硬限制,所有用户级的打开文件数限制都不应超过这个数值。
通常这个系统级硬限制是Linux系统在启动时根据系统硬件资源状况计算出来的最佳的最大同时打开文件数限制,如果没有特殊需要,不应该修改此限制,除非想为用户级打开文件数限制设置超过此限制的值。
修改此硬限制的方法是修改/etc/rc.local脚本,在脚本中添加如下行:
$ vim /etc/rc.local
echo 22158 > /proc/sys/fs/file-max
这是让Linux在启动完成后强行将系统级打开文件数硬限制设置为22158。
完成上述步骤后重启系统,一般情况下就可以将Linux系统对指定用户的单一进程允许同时打开的最大文件数限制设为指定的数值。
如果重启后用ulimit-n命令查看用户可打开文件数限制仍然低于上述步骤中设置的最大值,这可能是因为在用户登录脚本/etc/profile中使用ulimit -n命令已经将用户可同时打开的文件数做了限制。
由于通过ulimit-n修改系统对用户可同时打开文件的最大数限制时,新修改的值只能小于或等于上次 ulimit-n设置的值,因此想用此命令增大这个限制值是不可能的。

修改网络内核对TCP连接的有关限制

在Linux上编写支持高并发TCP连接的客户端通讯处理程序时,有时会发现尽管已经解除了系统对用户同时打开文件数的限制,但仍会出现并发TCP连接数增加到一定数量时,再也无法成功建立新的TCP连接的现象。出现这种现在的原因有多种。
第一种原因,可能是因为Linux网络内核对本地端口号范围有限制。此时,进一步分析为什么无法建立TCP连接,会发现问题出在connect()调用返回失败,查看系统错误提示消息是“Can’t assign requestedaddress”。同时,如果在此时用tcpdump工具监视网络,会发现根本没有TCP连接时客户端发SYN包的网络流量。
这些情况说明问题在于本地Linux系统内核中有限制。其实,问题的根本原因在于Linux内核的TCP/IP协议实现模块对系统中所有的客户端TCP连接对应的本地端口号的范围进行了限制(例如,内核限制本地端口号的范围为1024-32768之间)。当系统中某一时刻同时存在太多的TCP客户端连接时,由于每个TCP客户端连接都要占用一个唯一的本地端口号(此端口号在系统的本地端口号范围限制中),如果现有的TCP客户端连接已将所有的本地端口号占满,则此时就无法为新的TCP客户端连接分配一个本地端口号了,因此系统会在这种情况下在connect()调用中返回失败,并将错误提示消息设为“Can’t assignrequested address”。有关这些控制逻辑可以查看Linux内核源代码,以linux2.6内核为例,可以查看tcp_ipv4.c文件中如下函数:

static int tcp_v4_hash_connect(struct sock *sk)

请注意上述函数中对变量sysctl_local_port_range的访问控制。变量sysctl_local_port_range的初始化则是在tcp.c文件中的如下函数中设置:

void __init tcp_init(void)

内核编译时默认设置的本地端口号范围可能太小,因此需要修改此本地端口范围限制。
第一步,修改/etc/sysctl.conf文件,在文件中添加如下行:
$ vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000

这表明将系统对本地端口范围限制设置为1024~65000之间。请注意,本地端口范围的最小值必须大于或等于1024;而端口范围的最大值则应小于或等于65535。
第二步,执行sysctl命令:
$ sysctl -p
如果系统没有错误提示,就表明新的本地端口范围设置成功。如果按上述端口范围进行设置,则理论上单独一个进程最多可以同时建立60000多个TCP客户端连接。

第二种无法建立TCP连接的原因,可能是因为Linux网络内核的IP_TABLE防火墙对最大跟踪的TCP连接数有限制。此时程序会表现为在 connect()调用中阻塞,如同死机,如果用tcpdump工具监视网络,也会发现根本没有TCP连接时客户端发SYN包的网络流量。由于 IP_TABLE防火墙在内核中会对每个TCP连接的状态进行跟踪,跟踪信息将会放在位于内核内存中的conntrackdatabase中,这个数据库的大小有限,当系统中存在过多的TCP连接时,数据库容量不足,IP_TABLE无法为新的TCP连接建立跟踪信息,于是表现为在connect()调用中阻塞。此时就必须修改内核对最大跟踪的TCP连接数的限制,方法同修改内核对本地端口号范围的限制是类似的:
第一步,修改/etc/sysctl.conf文件,在文件中添加如下行:
$ vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_conntrack_max = 10240 #这表明将系统对最大跟踪的TCP连接数限制设置为10240。请注意,此限制值要尽量小,以节省对内核内存的占用。
第二步,执行sysctl命令:
$ sysctl -p
如果系统没有错误提示,就表明系统对新的最大跟踪的TCP连接数限制修改成功。如果按上述参数进行设置,则理论上单独一个进程最多可以同时建立10000多个TCP客户端连接。

TIME_WAIT内核参数优化
Linux系统下,TCP连接断开后,会以TIME_WAIT状态保留一定的时间,然后才会释放端口。当并发请求过多的时候,就会产生大量的TIME_WAIT状态的连接,无法及时断开的话,会占用大量的端口资源和服务器资源。这个时候我们可以优化TCP的内核参数,来及时将TIME_WAIT状态的端口清理掉。
此方法只对拥有大量TIME_WAIT状态的连接导致系统资源消耗有效,如果不是这种情况下,效果可能不明显。可以使用netstat命令去查TIME_WAIT状态的连接状态,输入下面的组合命令,查看当前TCP连接的状态和对应的连接数量:
netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[] END {for(a in S) print a, S[a]}'}
这个命令会输出类似下面的结果:

  LAST_ACK 16
  SYN_RECV 348
  ESTABLISHED 70
  FIN_WAIT1 229
  FIN_WAIT2 30
  CLOSING 33
  TIME_WAIT 18098

我们只需要关心TIME_WAIT的个数,在这里可以看到,有18000多个TIME_WAIT,这样就占用了18000多个端口。要知道端口的数量只有65535个,占用一个少一个,会严重的影响到后继的新连接。
这种情况下,我们就有必要调整下Linux的TCP内核参数,让系统更快的释放TIME_WAIT连接。
打开/etc/sysctl.conf配置文件,在这个文件中,加入下面的几行内容:

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

输入下面的命令,让内核参数生效:

sysctl -p

简单的说明上面的参数的含义:

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 #表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时,启用cookies来处理,可防范少量SYN攻击,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 #表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_fin_timeout #修改系統默认的 TIMEOUT 时间。
在经过这样的调整之后,除了会进一步提升服务器的负载能力之外,还能够防御小流量程度的DoS、CC和SYN攻击。
此外,如果你的连接数本身就很多,我们可以再优化一下TCP的可使用端口范围,进一步提升服务器的并发能力。依然是往上面的参数文件中,加入下面这些配置:
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200
net.ipv4.ip_local_port_range = 10000 65000
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000
这几个参数,建议只在流量非常大的服务器上开启,会有显著的效果。一般的流量小的服务器上,没有必要去设置这几个参数。
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200 #表示当keepalive起用的时候,TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时,改为20分钟。
net.ipv4.ip_local_port_range = 10000 65000 #表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小:32768到61000,改为10000到65000。(注意:这里不要将最低值设的太低,否则可能会占用掉正常的端口!)
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192 #表示SYN队列的长度,默认为1024,加大队列长度为8192,可以容纳更多等待连接的网络连接数。
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 6000 #表示系统同时保持TIME_WAIT的最大数量,如果超过这个数字,TIME_WAIT将立刻被清除并打印警告信息。默 认为180000,改为6000。对于Apache、Nginx等服务器,上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量,但是对于Squid,效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT的最大数量,避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT拖死。
内核其他TCP参数说明
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65536 #记录的那些尚未收到客户端确认信息的连接请求的最大值。对于有128M内存的系统而言,缺省值是1024,小内存的系统则是128。
net.core.netdev_max_backlog = 32768 #每个网络接口接收数据包的速率比内核处理这些包的速率快时,允许送到队列的数据包的最大数目。
net.core.somaxconn = 32768 #web应用中listen函数的backlog默认会给我们内核参数的net.core.somaxconn限制到128,而nginx定义的NGX_LISTEN_BACKLOG默认为511,所以有必要调整这个值
net.core.wmem_default = 8388608
net.core.rmem_default = 8388608
net.core.rmem_max = 16777216  #最大socket读buffer,可参考的优化值:873200
net.core.wmem_max = 16777216  #最大socket写buffer,可参考的优化值:873200
net.ipv4.tcp_timestsmps = 0 #时间戳可以避免序列号的卷绕。一个1Gbps的链路肯定会遇到以前用过的序列号。时间戳能够让内核接受这种“异常”的数据包。这里需要将其关掉。
net.ipv4.tcp_synack_retries = 2 #为了打开对端的连接,内核需要发送一个SYN并附带一个回应前面一个SYN的ACK。也就是所谓三次握手中的第二次握手。这个设置决定了内核放弃连接之前发送SYN+ACK包的数量。
net.ipv4.tcp_syn_retries = 2 #在内核放弃建立连接之前发送SYN包的数量。

net.ipv4.tcp_tw_len = 1

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 #开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接。
net.ipv4.tcp_wmem = 8192 436600 873200 # TCP写buffer,可参考的优化值: 8192 436600 873200
net.ipv4.tcp_rmem = 32768 436600 873200 # TCP读buffer,可参考的优化值: 32768 436600 873200
net.ipv4.tcp_mem = 94500000 91500000 92700000 #同样有3个值,意思是:
net.ipv4.tcp_mem[0]:低于此值,TCP没有内存压力。
net.ipv4.tcp_mem[1]:在此值下,进入内存压力阶段。
net.ipv4.tcp_mem[2]:高于此值,TCP拒绝分配socket。
上述内存单位是页,而不是字节。可参考的优化值是:786432 1048576 1572864
net.ipv4.tcp_max_orphans = 3276800 #系统中最多有多少个TCP套接字不被关联到任何一个用户文件句柄上。如果超过这个数字,连接将即刻被复位并打印出警告信息。这个限制仅仅是为了防止简单的DoS攻击,不能过分依靠它或者人为地减小这个值,更应该增加这个值(如果增加了内存之后)
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 #如果套接字由本端要求关闭,这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。对端可以出错并永远不关闭连接,甚至意外当机。缺省值是60秒。2.2 内核的通常值是180秒,你可以按这个设置,但要记住的是,即使你的机器是一个轻载的WEB服务器,也有因为大量的死套接字而内存溢出的风险,FIN- WAIT-2的危险性比FIN-WAIT-1要小,因为它最多只能吃掉1.5K内存,但是它们的生存期长些。
经过这样的优化配置之后,你的服务器的TCP并发处理能力会显著提高。以上配置仅供参考,用于生产环境请根据自己的实际情况。

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