Java面试基础之TCP连接以及其优化

前言

作为一个后端程序员，网络连接这块是一个绕不过的砍，当你在做服务器优化的时候，网络优化也是其中一环，那么作为网络连接中最基础的部分-TCP连接你了解吗？今天我们来仔细看看这个部分。

TCP建立连接-三次握手

详解

1. 客户端和服务器还未建立连接，但服务器一般处于listen状态
2. 客户端主动建立连接，向服务器发送SYN报文，客户端变为SYN_SENT状态
3. 服务器收到客户端发送的报文，也回了一个SYN报文，包含了一个ack。此时，服务器变为SYN_RCVD状态
4. 客户端收到了服务器发送的SYN报文，确认了ack，它将向服务器发送一个ACK报文。此时，客户端变为ESTABLISHED
5. 服务器收到客户端的ACK报文，确认了ack。此时，服务器也变为ESTABLISHED
6. 服务器和客户端可以正常通信了

其中步骤2~4就是三次握手，那么为什么需要三次握手呢？为什么不是一次或者两次握手呢？

首先，我们需要知道，只有当服务器和客户端都能确保自己能够发消息和接收消息，这次网络通信才算成功的。

步骤2的作用是让服务器知道了自己是可以接收消息的。

步骤3的作用是让客户端知道自己发送消息和接收消息的功能是OK的，发送消息的能力是通过服务器返回的ack=x+1确认的，因为这个值基于当初客户端发送的消息seq=x。接收消息的能力是因为收到了服务器的返回。

步骤4的作用是让服务器端知道自己发送消息的能力是OK的（和步骤3类似）。

linux查看

linux服务器可以利用netstat -anp | grep tcp命令，查看服务器上各个端口和应用的连接状态。

你还可以通过修改linux的配置文件/etc/sysctl.conf，调整各个状态的数量

SYN_SENT状态相关

主动建立连接时，发SYN（步骤2）的重试次数

nct.ipv4.tcp_syn_rctries = 6

建立连接时的本地端口可用范围

net.ipv4.ip_local_port_range = 32768 60999

SYN_RCVD状态相关

SYN_RCVD状态连接的最大个数

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog

被动建立连接时，发SYN/ACK（步骤3）重试次数

net.ipv4.tcp_synack_retries

说完了TCP建立连接，接下来，我们再来看看TCP正常断开连接的过程

TCP断开连接-四次挥手

详解

1. 客户端与服务器端正常传输数据
2. 客户端主动断开连接，向服务器端发送FIN报文，客户端变为FIN_WAIT1状态
3. 服务器收到客户端的FIN后，向客户端发送ACK报文，服务器变为CLOSE_WAIT状态
4. 客户端收到服务器的ACK报文后，客户端变为FIN_WAIT2状态
5. 服务器向客户端发送FIN报文，服务器变为LAST_ACK状态
6. 客户端收到服务器发送的FIN报文后，向服务器发送ACK报文，客户端变为TIME_WAIT状态
7. 服务器收到客户端的ACK报文后，服务器变为CLOSED状态
8. 客户端经过2MSL(max segment lifetime，报文最大生存时间)时间后，也变为CLOSED状态

其中，步骤2、3、5、6即为4次挥手。

TIME_WAIT状态及其优化

看完之后，大家想必会有一个疑问，为什么TIME_WAIT状态需要保持2MSL？因为这可以保证至少一次报文的往返时间内，端口是不可复用的。

假设TIME_WAIT状态的持续时间很短，我们来模拟下面这种场景：

• 客户端向服务器端发送了三条报文，其中第3条报文卡在网络中，服务器只收到了前两条，向客户单发送ACK=2，客户端重新发送第三条报文。
• 服务器主动发送FIN报文，客户端收到后发送FIN、ACK，服务器端收到后发送ACK并进入TIME_WAIT状态（假设这个状态很短）。
• 现在服务器又再次和客户端建立连接，三次握手之后开始发送正常数据，结果之前卡住的第三条报文，现在终于发送到服务器，但服务器也不知道该如何处理这条报文。

因此这也是TIME_WAIT状态需要保持2MSL的原因，如果这么长时间也没有收到报文，即使有正确的报文从客户端发出，也已经过期了，因此不会影响到之后的通信。

但这同样也会带来一个问题，TIME_WAIT状态保持的时间较长，假设服务器端有大量TIME_WAIT状态的TCP连接，就相当于白白浪费掉大量的服务器资源(端口)。此时，我们可以通过修改以下配置进行服务器调优：

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

• 开启后，作为客户端时新连接可以使用仍然处于TIME_WAIT状态的端口
• 由于timestamp的存在，操作系统可以拒绝迟到的报文（例如上面说的第三条报文），可以利用以下配置：

net.ipv4.tcp_timestamps = 1

其他状态的优化

CLOSE_WAIT状态

如果服务器端有大量CLOSE_WAIT状态的连接，很有可能是应用进程出现bug，没有及时关闭连接。

FIN_WAIT1状态

调整发送FIN报文的重试次数，0相当于8

net.ipv4.tcp_orphan_retries = 0

FIN_WAIT2状态

调整保持在FIN_WAIT2状态的时间

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 60

总结

看到这里，想必你应该对TCP连接有了一个大致的了解。现在服务器大多都用了nginx做了负载均衡，因此，我们可能需要在此基础上了解一些nginx相关的配置原理，这样应该会对我们的服务器性能调优会有更大的帮助。