前言

網上許多部落格針對增大 TCP 半連線佇列和全連線佇列的方式如下：

• 增大 TCP 半連線佇列的方式是增大 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog；
• 增大 TCP 全連線佇列的方式是增大 listen() 函式中的 backlog；

這裡先跟大家說下，上面的方式都是不準確的。

“你怎麼知道不準確？”

很簡單呀，因為我做了實驗和看了 TCP 協議棧的核心原始碼，發現要增大這兩個佇列長度，不是簡簡單單增大某一個引數就可以的。

接下來，就會以實戰 + 原始碼分析，帶大家解密 TCP 半連線佇列和全連線佇列。

“原始碼分析，那不是勸退嗎？我們搞 Java 的看不懂呀”

放心，本文的原始碼分析不會涉及很深的知識，因為都被我刪減了，你只需要會條件判斷語句 if、左移右移操作符、加減法等基本語法，就可以看懂。

另外，不僅有原始碼分析，還會介紹 Linux 排查半連線佇列和全連線佇列的命令。

“哦？似乎很有看頭，那我姑且看一下吧！”

行，沒有被勸退的小夥伴，值得鼓勵，下面這圖是本文的提綱：

正文

什麼是 TCP 半連線佇列和全連線佇列？

在 TCP 三次握手的時候，Linux 核心會維護兩個佇列，分別是：

• 半連線佇列，也稱 SYN 佇列；
• 全連線佇列，也稱 accepet 佇列；

服務端收到客戶端發起的 SYN 請求後，核心會把該連線儲存到半連線佇列，並向客戶端響應 SYN+ACK，接著客戶端會返回 ACK，服務端收到第三次握手的 ACK 後，核心會把連線從半連線佇列移除，然後建立新的完全的連線，並將其新增到 accept 佇列，等待程序呼叫 accept 函式時把連線取出來。

不管是半連線佇列還是全連線佇列，都有最大長度限制，超過限制時，核心會直接丟棄，或返回 RST 包。

實戰 - TCP 全連線佇列溢位

如何知道應用程式的 TCP 全連線佇列大小？

在服務端可以使用 ss 命令，來檢視 TCP 全連線佇列的情況：

但需要注意的是 ss 命令獲取的 Recv-Q/Send-Q 在「LISTEN 狀態」和「非 LISTEN 狀態」所表達的含義是不同的。從下面的核心程式碼可以看出區別：

在「LISTEN 狀態」時，Recv-Q/Send-Q 表示的含義如下：

• Recv-Q：當前全連線佇列的大小，也就是當前已完成三次握手並等待服務端 accept()
  的 TCP 連線；
• Send-Q：當前全連線最大佇列長度，上面的輸出結果說明監聽 8088 埠的 TCP 服務，最大全連線長度為 128；

在「非 LISTEN 狀態」時，Recv-Q/Send-Q 表示的含義如下：

• Recv-Q：已收到但未被應用程序讀取的位元組數；
• Send-Q：已傳送但未收到確認的位元組數；

如何模擬 TCP 全連線佇列溢位的場景？

實驗環境：

• 客戶端和服務端都是 CentOs 6.5 ，Linux 核心版本 2.6.32
• 服務端 IP 192.168.3.200，客戶端 IP 192.168.3.100
• 服務端是 Nginx 服務，埠為 8088

這裡先介紹下 wrk 工具，它是一款簡單的 HTTP 壓測工具，它能夠在單機多核 CPU 的條件下，使用系統自帶的高效能 I/O 機制，通過多執行緒和事件模式，對目標機器產生大量的負載。

本次模擬實驗就使用 wrk 工具來壓力測試服務端，發起大量的請求，一起看看服務端 TCP 全連線佇列滿了會發生什麼？有什麼觀察指標？

客戶端執行 wrk 命令對服務端發起壓力測試，併發 3 萬個連線：

在服務端可以使用 ss 命令，來檢視當前 TCP 全連線佇列的情況：

其間共執行了兩次 ss 命令，從上面的輸出結果，可以發現當前 TCP 全連線佇列上升到了 129 大小，超過了最大 TCP 全連線佇列。

當超過了 TCP 最大全連線佇列，服務端則會丟掉後續進來的 TCP 連線，丟掉的 TCP 連線的個數會被統計起來，我們可以使用 netstat -s 命令來檢視：

上面看到的 41150 times ，表示全連線佇列溢位的次數，注意這個是累計值。可以隔幾秒鐘執行下，如果這個數字一直在增加的話肯定全連線佇列偶爾滿了。

從上面的模擬結果，可以得知，當服務端併發處理大量請求時，如果 TCP 全連線佇列過小，就容易溢位。發生 TCP 全連線隊溢位的時候，後續的請求就會被丟棄，這樣就會出現服務端請求數量上不去的現象。

Linux 有個引數可以指定當 TCP 全連線佇列滿了會使用什麼策略來回應客戶端。

實際上，丟棄連線只是 Linux 的預設行為，我們還可以選擇向客戶端傳送 RST 復位報文，告訴客戶端連線已經建立失敗。

tcp_abort_on_overflow 共有兩個值分別是 0 和 1，其分別表示：

• 0 ：如果全連線佇列滿了，那麼 server 扔掉 client 發過來的 ack ；
• 1 ：如果全連線佇列滿了，server 傳送一個 reset 包給 client，表示廢掉這個握手過程和這個連線；

如果要想知道客戶端連線不上服務端，是不是服務端 TCP 全連線佇列滿的原因，那麼可以把 tcp_abort_on_overflow 設定為 1，這時如果在客戶端異常中可以看到很多 connection reset by peer 的錯誤，那麼就可以證明是由於服務端 TCP 全連線佇列溢位的問題。

通常情況下，應當把 tcp_abort_on_overflow 設定為 0，因為這樣更有利於應對突發流量。

舉個例子，當 TCP 全連線佇列滿導致伺服器丟掉了 ACK，與此同時，客戶端的連線狀態卻是 ESTABLISHED，程序就在建立好的連線上傳送請求。只要伺服器沒有為請求回覆 ACK，請求就會被多次重發。如果伺服器上的程序只是短暫的繁忙造成 accept 佇列滿，那麼當 TCP 全連線佇列有空位時，再次接收到的請求報文由於含有 ACK，仍然會觸發伺服器端成功建立連線。

所以，tcp_abort_on_overflow 設為 0 可以提高連線建立的成功率，只有你非常肯定 TCP 全連線佇列會長期溢位時，才能設定為 1 以儘快通知客戶端。

如何增大 TCP 全連線佇列呢？

是的，當發現 TCP 全連線佇列發生溢位的時候，我們就需要增大該佇列的大小，以便可以應對客戶端大量的請求。

TCP 全連線佇列足最大值取決於 somaxconn 和 backlog 之間的最小值，也就是 min(somaxconn, backlog)。從下面的 Linux 核心程式碼可以得知：

• somaxconn 是 Linux 核心的引數，預設值是 128，可以通過 /proc/sys/net/core/somaxconn 來設定其值；
• backlog 是 listen(int sockfd, int backlog) 函式中的 backlog 大小，Nginx 預設值是 511，可以通過修改配置檔案設定其長度；

前面模擬測試中，我的測試環境：

• somaxconn 是預設值 128；
• Nginx 的 backlog 是預設值 511

所以測試環境的 TCP 全連線佇列最大值為 min(128, 511)，也就是 128，可以執行 ss 命令檢視：

現在我們重新壓測，把 TCP 全連線佇列搞大，把 somaxconn 設定成 5000：

接著把 Nginx 的 backlog 也同樣設定成 5000：

最後要重啟 Nginx 服務，因為只有重新呼叫 listen() 函式 TCP 全連線佇列才會重新初始化。

重啟完後 Nginx 服務後，服務端執行 ss 命令，檢視 TCP 全連線佇列大小：

從執行結果，可以發現 TCP 全連線最大值為 5000。

增大 TCP 全連線佇列後，繼續壓測

客戶端同樣以 3 萬個連線併發傳送請求給服務端：

服務端執行 ss 命令，檢視 TCP 全連線佇列使用情況：

從上面的執行結果，可以發現全連線佇列使用增長的很快，但是一直都沒有超過最大值，所以就不會溢位，那麼 netstat -s 就不會有 TCP 全連線佇列溢位個數的顯示：

說明 TCP 全連線佇列最大值從 128 增大到 5000 後，服務端抗住了 3 萬連線併發請求，也沒有發生全連線佇列溢位的現象了。

如果持續不斷地有連線因為 TCP 全連線佇列溢位被丟棄，就應該調大 backlog 以及 somaxconn 引數。

實戰 - TCP 半連線佇列溢位

如何檢視 TCP 半連線佇列長度？

很遺憾，TCP 半連線佇列長度的長度，沒有像全連線佇列那樣可以用 ss 命令檢視。

但是我們可以抓住 TCP 半連線的特點，就是服務端處於 SYN_RECV 狀態的 TCP 連線，就是在 TCP 半連線佇列。

於是，我們可以使用如下命令計算當前 TCP 半連線佇列長度：

如何模擬 TCP 半連線佇列溢位場景？

模擬 TCP 半連線溢位場景不難，實際上就是對服務端一直髮送 TCP SYN 包，但是不回第三次握手 ACK，這樣就會使得服務端有大量的處於 SYN_RECV 狀態的 TCP 連線。

這其實也就是所謂的 SYN 洪泛、SYN 攻擊、DDos 攻擊。

實驗環境：

• 客戶端和服務端都是 CentOs 6.5 ，Linux 核心版本 2.6.32
• 服務端 IP 192.168.3.200，客戶端 IP 192.168.3.100
• 服務端是 Nginx 服務，埠為 8088

注意：本次模擬實驗是沒有開啟 tcp_syncookies，關於 tcp_syncookies 的作用，後續會說明。

本次實驗使用 hping3 工具模擬 SYN 攻擊：

當服務端受到 SYN 攻擊後，連線服務端 ssh 就會斷開了，無法再連上。只能在服務端主機上執行檢視當前 TCP 半連線佇列大小：

同時，還可以通過 netstat -s 觀察半連線佇列溢位的情況：

上面輸出的數值是累計值，表示共有多少個 TCP 連線因為半連線佇列溢位而被丟棄。隔幾秒執行幾次，如果有上升的趨勢，說明當前存在半連線佇列溢位的現象。

大部分人都說 tcp_max_syn_backlog 是指定半連線佇列的大小，是真的嗎？

很遺憾，半連線佇列的大小並不單單隻跟 tcp_max_syn_backlog 有關係。

上面模擬 SYN 攻擊場景時，服務端的 tcp_max_syn_backlog 的預設值如下：

但是在測試的時候發現，服務端最多隻有 256 個半連線佇列，而不是 512，所以半連線佇列的最大長度不一定由 tcp_max_syn_backlog 值決定的。

接下來，走進 Linux 核心的原始碼，來分析 TCP 半連線佇列的最大值是如何決定的。

TCP 第一次握手（收到 SYN 包）的 Linux 核心程式碼如下，其中縮減了大量的程式碼，只需要重點關注 TCP 半連線佇列溢位的處理邏輯：

從原始碼中，我可以得出共有三個條件因佇列長度的關係而被丟棄的：

1. 如果半連線佇列滿了，並且沒有開啟 tcp_syncookies，則會丟棄；
2. 若全連線佇列滿了，且沒有重傳 SYN+ACK 包的連線請求多於 1 個，則會丟棄；
3. 如果沒有開啟 tcp_syncookies，並且 max_syn_backlog 減去 當前半連線佇列長度小於 (max_syn_backlog >> 2)，則會丟棄；

關於 tcp_syncookies 的設定，後面在詳細說明，可以先給大家說一下，開啟 tcp_syncookies 是緩解 SYN 攻擊其中一個手段。

接下來，我們繼續跟一下檢測半連線佇列是否滿的函式 inet_csk_reqsk_queue_is_full 和 檢測全連線佇列是否滿的函式 sk_acceptq_is_full ：

從上面原始碼，可以得知：

• 全連線佇列的最大值是 sk_max_ack_backlog 變數，sk_max_ack_backlog 實際上是在 listen() 原始碼裡指定的，也就是 min(somaxconn, backlog)；
• 半連線佇列的最大值是 max_qlen_log 變數，max_qlen_log 是在哪指定的呢？現在暫時還不知道，我們繼續跟進；

我們繼續跟進程式碼，看一下是哪裡初始化了半連線佇列的最大值 max_qlen_log：

從上面的程式碼中，我們可以算出 max_qlen_log 是 8，於是代入到 檢測半連線佇列是否滿的函式 reqsk_queue_is_full ：

也就是 qlen >> 8 什麼時候為 1 就代表半連線佇列滿了。這計算這不難，很明顯是當 qlen 為 256 時，256 >> 8 = 1。

至此，總算知道為什麼上面模擬測試 SYN 攻擊的時候，服務端處於 SYN_RECV 連線最大隻有 256 個。

可見，半連線佇列最大值不是單單由 max_syn_backlog 決定，還跟 somaxconn 和 backlog 有關係。

在 Linux 2.6.32 核心版本，它們之間的關係，總體可以概況為：

• 當 max_syn_backlog > min(somaxconn, backlog) 時， 半連線佇列最大值 max_qlen_log = min(somaxconn, backlog) * 2;
• 當 max_syn_backlog < min(somaxconn, backlog) 時， 半連線佇列最大值 max_qlen_log = max_syn_backlog * 2;

半連線佇列最大值 max_qlen_log 就表示服務端處於 SYN_REVC 狀態的最大個數嗎？

依然很遺憾，並不是。

max_qlen_log 是理論半連線佇列最大值，並不一定代表服務端處於 SYN_REVC 狀態的最大個數。

在前面我們在分析 TCP 第一次握手（收到 SYN 包）時會被丟棄的三種條件：

1. 如果半連線佇列滿了，並且沒有開啟 tcp_syncookies，則會丟棄；
2. 若全連線佇列滿了，且沒有重傳 SYN+ACK 包的連線請求多於 1 個，則會丟棄；
3. 如果沒有開啟 tcp_syncookies，並且 max_syn_backlog 減去 當前半連線佇列長度小於 (max_syn_backlog >> 2)，則會丟棄；

假設條件 1 當前半連線佇列的長度 「沒有超過」理論的半連線佇列最大值 max_qlen_log，那麼如果條件 3 成立，則依然會丟棄 SYN 包，也就會使得服務端處於 SYN_REVC 狀態的最大個數不會是理論值 max_qlen_log。

似乎很難理解，我們繼續接著做實驗，實驗見真知。

服務端環境如下：

配置完後，服務端要重啟 Nginx，因為全連線佇列最大和半連線佇列最大值是在 listen() 函式初始化。

根據前面的原始碼分析，我們可以計算出半連線佇列 max_qlen_log 的最大值為 256：

客戶端執行 hping3 發起 SYN 攻擊：

服務端執行如下命令，檢視處於 SYN_RECV 狀態的最大個數：

可以發現，服務端處於 SYN_RECV 狀態的最大個數並不是 max_qlen_log 變數的值。

這就是前面所說的原因：如果當前半連線佇列的長度 「沒有超過」理論半連線佇列最大值 max_qlen_log，那麼如果條件 3 成立，則依然會丟棄 SYN 包，也就會使得服務端處於 SYN_REVC 狀態的最大個數不會是理論值 max_qlen_log。

我們來分析一波條件 3 :

從上面的分析，可以得知如果觸發「當前半連線佇列長度 > 192」條件，TCP 第一次握手的 SYN 包是會被丟棄的。

在前面我們測試的結果，服務端處於 SYN_RECV 狀態的最大個數是 193，正好是觸發了條件 3，所以處於 SYN_RECV 狀態的個數還沒到「理論半連線佇列最大值 256」，就已經把 SYN 包丟棄了。

所以，服務端處於 SYN_RECV 狀態的最大個數分為如下兩種情況：

• 如果「當前半連線佇列」沒超過「理論半連線佇列最大值」，但是超過 max_syn_backlog - (max_syn_backlog >> 2)，那麼處於 SYN_RECV 狀態的最大個數就是 max_syn_backlog - (max_syn_backlog >> 2)；
• 如果「當前半連線佇列」超過「理論半連線佇列最大值」，那麼處於 SYN_RECV 狀態的最大個數就是「理論半連線佇列最大值」；

每個 Linux 核心版本「理論」半連線最大值計算方式會不同。

在上面我們是針對 Linux 2.6.32 版本分析的「理論」半連線最大值的演算法，可能每個版本有些不同。

比如在 Linux 5.0.0 的時候，「理論」半連線最大值就是全連線佇列最大值，但依然還是有佇列溢位的三個條件：

如果 SYN 半連線佇列已滿，只能丟棄連線嗎？

並不是這樣，開啟 syncookies 功能就可以在不使用 SYN 半連線佇列的情況下成功建立連線，在前面我們原始碼分析也可以看到這點，當開啟了 syncookies 功能就不會丟棄連線。

syncookies 是這麼做的：伺服器根據當前狀態計算出一個值，放在己方發出的 SYN+ACK 報文中發出，當客戶端返回 ACK 報文時，取出該值驗證，如果合法，就認為連線建立成功，如下圖所示。

syncookies 引數主要有以下三個值：

• 0 值，表示關閉該功能；
• 1 值，表示僅當 SYN 半連線佇列放不下時，再啟用它；
• 2 值，表示無條件開啟功能；

那麼在應對 SYN 攻擊時，只需要設定為 1 即可：

如何防禦 SYN 攻擊？

這裡給出幾種防禦 SYN 攻擊的方法：

• 增大半連線佇列；
• 開啟 tcp_syncookies 功能
• 減少 SYN+ACK 重傳次數

方式一：增大半連線佇列

在前面原始碼和實驗中，得知要想增大半連線佇列，我們得知不能只單純增大 tcp_max_syn_backlog 的值，還需一同增大 somaxconn 和 backlog，也就是增大全連線佇列。否則，只單純增大 tcp_max_syn_backlog 是無效的。

增大 tcp_max_syn_backlog 和 somaxconn 的方法是修改 Linux 核心引數：

增大 backlog 的方式，每個 Web 服務都不同，比如 Nginx 增大 backlog 的方法如下：

最後，改變了如上這些引數後，要重啟 Nginx 服務，因為半連線佇列和全連線佇列都是在 listen() 初始化的。

方式二：開啟 tcp_syncookies 功能

開啟 tcp_syncookies 功能的方式也很簡單，修改 Linux 核心引數：

方式三：減少 SYN+ACK 重傳次數

當服務端受到 SYN 攻擊時，就會有大量處於 SYN_REVC 狀態的 TCP 連線，處於這個狀態的 TCP 會重傳 SYN+ACK ，當重傳超過次數達到上限後，就會斷開連線。

那麼針對 SYN 攻擊的場景，我們可以減少 SYN+ACK 的重傳次數，以加快處於 SYN_REVC 狀態的 TCP 連線斷開。

巨人的肩膀

[1] 系統性能調優必知必會.陶輝.極客時間.

[2] https://www.cnblogs.com/zengkefu/p/5606696.html

[3] https://blog.cloudflare.com/syn-packet-handling-in-the-wild/

小林是專為大家圖解的工具人，Goodbye，我們下次見！