Linux 基于 TCP 连接状态简要分析网络故障排除
本文提供一套系统化的 Linux 网络排障方案,重点关注 TCP 连接状态分析,结合常用网络工具和系统日志,帮助高效定位和解决网络故障。
一、 故障诊断流程
有效的网络排障需要遵循清晰的步骤:
-
现象描述: 准确描述故障现象,包括:发生时间、持续时间、影响范围(哪些服务受影响)、错误信息(例如应用程序报错、系统日志错误)、用户反馈等。 越详细越好,例如,是所有连接都中断,还是特定类型的连接?连接中断是突然的还是逐渐的?
-
信息收集: 使用以下工具收集必要信息:
-
netstat -antp
: 显示所有活动的网络连接,包括进程信息。 -
netstat -s
: 显示网络统计信息,例如发送和接收的数据包数量、错误数量等。 -
netstat -nat | awk '/tcp/ {print $6}' | sort | uniq -c
: 统计 TCP 连接的各个状态数量。 -
ss -t -a
: 更现代化的netstat
命令,提供更详细的信息。 -
系统日志:
/var/log/syslog
、/var/log/messages
等,查找与网络相关的错误信息。 关注时间戳,与故障现象进行关联。 -
网络连接状态: 使用
netstat
命令及其各种选项,例如: -
套接字信息: 使用
lsof -i :<port>
命令查看指定端口的套接字状态,以及相关的进程信息。 -
路由表: 使用
ip route show
或route -n
命令查看路由表,检查路由是否正确。 -
网络接口状态: 使用
ip addr show
或ifconfig
命令查看网络接口状态,例如 IP 地址、子网掩码、MTU 等。 -
网络抓包: 使用
tcpdump
或Wireshark
进行网络抓包,分析网络数据包,定位问题发生的位置和原因。 需要根据具体情况选择合适的过滤器,例如指定端口、协议、IP 地址等。
- 问题分析: 根据收集的信息,结合 TCP 连接状态,分析问题可能的原因。 例如:
-
大量 TIME_WAIT 状态: 可能需要调整内核参数
net.ipv4.tcp_tw_reuse
和net.ipv4.tcp_tw_recycle
(谨慎使用,尤其在 NAT 环境下)。 -
大量 CLOSE_WAIT 状态: 表明应用程序没有正确关闭连接,需要检查应用程序代码。
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大量 SYN_RECV 状态: 可能受到 SYN flood 攻击。
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大量 SYN_SENT 状态: 可能目标服务器不可达或网络问题。
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连接超时 (ETIMEDOUT): 网络延迟过高或网络中断。
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连接重置 (ECONNRESET): 连接被对方强制关闭,可能是对方程序崩溃或网络故障。
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连接被拒绝 (ECONNREFUSED): 目标服务未运行或防火墙阻止连接。
- 解决方案实施: 根据分析结果,采取相应的解决方法。 这可能包括:
-
重启服务: 重启网络服务、应用程序或服务器。
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配置调整: 修改网络配置、防火墙规则、应用程序配置等。
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内核参数调整: 调整内核参数,例如
tcp_tw_reuse
、tcp_tw_recycle
、tcp_keepalive_*
等 (需谨慎操作)。 -
安全加固: 如果怀疑受到攻击,采取相应的安全措施,例如启用防火墙、入侵检测系统等。
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代码修复: 如果问题源于应用程序,则需要修复代码。
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结果验证: 实施解决方案后,再次使用网络命令和日志检查,验证问题是否已解决。
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文档记录: 详细记录故障现象、诊断过程、解决方案和最终结果,方便后续排查类似问题。
二、 TCP 连接状态详解
理解 TCP 连接状态对于网络排障至关重要。下表总结了常见的 TCP 连接状态及其含义:
状态 | 说明 | 常见问题 |
---|---|---|
CLOSED | 初始状态,连接关闭。 | 无 |
LISTEN | 服务器监听状态,等待客户端连接。 | 监听端口过多,资源占用过高 |
SYN_SENT | 客户端已发送 SYN 请求,等待服务器确认。 | 网络问题,服务器不可达 |
SYN_RECV | 服务器已收到 SYN 请求,等待客户端确认。 | SYN flood 攻击 |
ESTABLISHED | 连接已建立,可以进行数据传输。 | 连接假死,应用程序错误 |
FIN_WAIT_1 | 客户端请求关闭连接,等待服务器确认。 | 网络问题,服务器无响应 |
FIN_WAIT_2 | 客户端已收到服务器确认,等待服务器关闭请求。 | 网络问题,服务器无响应 |
CLOSE_WAIT | 服务器已收到客户端关闭请求,但尚未关闭连接,等待应用程序关闭连接。 | 应用程序未正确关闭连接,资源泄漏 |
CLOSING | 双方同时尝试关闭连接。 | 网络问题,数据包丢失 |
LAST_ACK | 服务器已发送 FIN,等待客户端确认。 | 网络问题,客户端无响应 |
TIME_WAIT | 连接关闭,等待 2MSL 时间后完全释放资源。 | TIME_WAIT 连接过多,可能需要调整内核参数 (谨慎操作,尤其在 NAT 环境下) |
三、 常用网络工具详解
-
netstat
: 显示网络连接、路由表、接口统计、伪装信息以及多播统计信息。-a
显示所有连接;-n
以数字形式显示地址和端口;-p
显示进程信息;-t
显示 TCP 连接;-u
显示 UDP 连接;-l
显示监听端口。 -
ss
: 更现代化的工具,提供更全面的信息,并且性能更高效。-t
显示 TCP 连接;-u
显示 UDP 连接;-l
显示监听端口;-a
显示所有连接。 -
tcpdump
: 强大的网络抓包工具,可以捕获和分析网络数据包。 需要 root 权限。 可以使用各种过滤器来精确定位需要分析的数据包。 -
Wireshark
: 图形化的网络分析工具,可以更直观地分析tcpdump
抓取的 pcap 文件。 -
traceroute
/traceroute6
: 追踪数据包到达目标主机所经过的路由器。traceroute6
用于 IPv6。 -
ping
/ping6
: 测试网络连通性,测量网络延迟和丢包率。ping6
用于 IPv6。 -
mtr
: 多功能网络诊断工具,结合了ping
、traceroute
和nslookup
的功能。
四、 内核参数调整 (谨慎操作)
调整内核参数可以优化 TCP 连接的管理,但需要谨慎操作,不当的调整可能导致系统不稳定。 以下是一些常用的内核参数:
-
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets
: TIME_WAIT 套接字的最大数量。 增加此值可以减少 TIME_WAIT 连接过多导致的问题。 -
net.ipv4.tcp_tw_reuse
: 允许重用 TIME_WAIT 套接字。 设置为 1 可以加快端口释放速度。 -
net.ipv4.tcp_tw_recycle
: 快速回收 TIME_WAIT 套接字。 设置为 1 可以加快端口释放速度,但可能导致问题,尤其是在 NAT 环境下。 -
net.ipv4.tcp_keepalive_time
: TCP keepalive 探测的间隔时间。 -
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl
: TCP keepalive 探测包之间的间隔时间。 -
net.ipv4.tcp_keepalive_probes
: TCP keepalive 探测的次数。
五、 案例分析
假设应用服务器出现连接中断,用户无法访问。 排障步骤:
-
现象描述: 用户报告无法访问应用服务器,应用程序日志显示连接错误。
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信息收集:
-
系统日志显示没有明显的网络错误。
-
netstat -antp
显示大量 CLOSE_WAIT 状态的连接。 -
应用程序日志显示连接中断错误。
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问题分析: 大量 CLOSE_WAIT 连接表明应用程序没有正确关闭连接。
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解决方案实施: 检查应用程序代码,确保正确关闭连接。 重新部署应用程序。
-
结果验证: 重新测试,确认问题已解决。
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epoll简介及触发模式(accept、read、send)-epoll的简单介绍 epoll在LT和ET模式下的读写方式 一、epoll的接口非常简单,一共就三个函数:1. int epoll_create(int size);创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close关闭,否则可能导致fd被耗尽。2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);epoll的事件注册函数,它不同与select是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create的返回值,第二个参数表示动作,用三个宏来表示:EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd;第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:struct epoll_event { __uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */};events可以是以下几个宏的集合:EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭); EPOLLIN事件:EPOLLIN事件则只有当对端有数据写入时才会触发,所以触发一次后需要不断读取所有数据直到读完EAGAIN为止。否则剩下的数据只有在下次对端有写入时才能一起取出来了。现在明白为什么说epoll必须要求异步socket了吧?如果同步socket,而且要求读完所有数据,那么最终就会在堵死在阻塞里。 EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写; EPOLLOUT事件:EPOLLOUT事件只有在连接时触发一次,表示可写,其他时候想要触发,那要先准备好下面条件:1.某次write,写满了发送缓冲区,返回错误码为EAGAIN。2.对端读取了一些数据,又重新可写了,此时会触发EPOLLOUT。简单地说:EPOLLOUT事件只有在不可写到可写的转变时刻,才会触发一次,所以叫边缘触发,这叫法没错的!其实,如果真的想强制触发一次,也是有办法的,直接调用epoll_ctl重新设置一下event就可以了,event跟原来的设置一模一样都行(但必须包含EPOLLOUT),关键是重新设置,就会马上触发一次EPOLLOUT事件。1. 缓冲区由满变空.2.同时注册EPOLLIN | EPOLLOUT事件,也会触发一次EPOLLOUT事件这个两个也会触发EPOLLOUT事件 EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;EPOLLET: 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);等待事件的产生,类似于select调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。-------------------------------------------------------------------------------------------- 从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下EPOLL事件有两种模型:Edge Triggered (ET)Level Triggered (LT)假如有这样一个例子:1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作4. 然后我们读取了1KB的数据5. 调用epoll_wait(2)......Edge Triggered 工作模式:如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。 i 基于非阻塞文件句柄 ii 只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。Level Triggered 工作模式相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。然后详细解释ET, LT:LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表.ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,读数据的时候需要考虑的是当recv返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取: 这里只是说明思路(参考《UNIX网络编程》) while(rs) {buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);if(buflen < 0){// 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读// 在这里就当作是该次事件已处理处.if(errno == EAGAIN)break; else return; }else if(buflen == 0) { // 这里表示对端的socket已正常关闭. } if(buflen == sizeof(buf) rs = 1; // 需要再次读取 else rs = 0; } 还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send内部,当写缓冲已满(send返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send内部,但暂没有更好的办法. ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen) { ssize_t tmp; size_t total = buflen; const char *p = buffer; while(1) { tmp = send(sockfd, p, total, 0); if(tmp < 0) { // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1. if(errno == EINTR) return -1; // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满, // 在这里做延时后再重试. if(errno == EAGAIN) { usleep(1000); continue; } return -1; } if((size_t)tmp == total) return buflen; total -= tmp; p += tmp; } return tmp; } 二、epoll在LT和ET模式下的读写方式 在一个非阻塞的socket上调用read/write函数, 返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK(注: EAGAIN就是EWOULDBLOCK) 从字面上看, 意思是: * EAGAIN: 再试一次 * EWOULDBLOCK: 如果这是一个阻塞socket, 操作将被block * perror输出: Resource temporarily unavailable 总结: 这个错误表示资源暂时不够, 可能read时, 读缓冲区没有数据, 或者, write时,写缓冲区满了 。 遇到这种情况, 如果是阻塞socket, read/write就要阻塞掉。 而如果是非阻塞socket, read/write立即返回-1, 同 时errno设置为EAGAIN. 所以, 对于阻塞socket, read/write返回-1代表网络出错了. 但对于非阻塞socket, read/write返回-1不一定网络真的出错了. 可能是Resource temporarily unavailable. 这时你应该再试, 直到Resource available. 综上, 对于non-blocking的socket, 正确的读写操作为: 读: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续读 写: 忽略掉errno = EAGAIN的错误, 下次继续写 对于select和epoll的LT模式, 这种读写方式是没有问题的. 但对于epoll的ET模式, 这种方式还有漏洞. epoll的两种模式 LT 和 ET