能创建多少个 TCP 连接?


一台服务器到底能创建多少个TCP连接呢?

【绪】

    我是一个 Linux 服务器上的进程,名叫小进,老是有人说我最多只能创建 65535 个 TCP 连接。我不信这个邪,今天我要亲自去实践一下,我走到操作系统老大的跟前,说:"老操,我要建立一个 TCP 连接!"老操不慌不忙,拿出一个表格递给我,"小进,先填表吧"

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    我一看这个表,这不就是经典的 socket 四元组嘛。我只有一块网卡,其 IP 地址是 123.126.45.68,我想要与 110.242.68.3 的 80 端口建立一个 TCP 连接,我将这些信息填写在了表中。

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    源端口号填什么呢?我记得端口号是 16 位的,可以有 0 ~ 65535 这个范围的数字,那我随便选一个吧!

    正当我犹豫到底选什么数字的时候,老操一把抢过我的表格。

    "你墨迹个啥呢小进?源端口号不用你填,我会给你分配一个可用的数字。源IP也不用你填,我知道都有哪些网卡,并且会帮你选个合适的。真是个新手,回去等消息吧"。

    "哦"。老操带着我的表格,走了。过了很长时间,老操终于回来了,并且带着一个纸条。上面写着5。

    "小进,你把这个收好了。"我问道,"这是啥呀?"老操不耐烦地说道,"刚刚说你是新手你还不服,这个 5 表示文件描述符,linux 下一切皆文件,你待会和你那个目标 IP 进行 TCP 通信的时候,就对着这个文件描述符读写就好啦"。

    "这么方便!好的,谢谢老操。"我拿着这个文件描述符,把它放到属于我的内存中裱起来了,反正我只是想看看最多能创建多少 TCP 连接,又不是去真的用它,嘻嘻。


【端口号】

    过了一分钟,我又去找老操了。"老操,我要建立一个 TCP 连接。"老操不慌不忙,拿出一个表格递给我,"小进,先填表吧。"

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    这回我熟悉了,只把目标IP和目标端口填好。

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    老操办好事之后,又带着一个纸条回来,上面写着数字"6"。就这样,我每隔一分钟都去找老操建立一个新的 TCP 连接,目标 IP 都是110.242.68.3,目标端口都是 80。老操也很奇怪,不知道我在这折腾啥,他虽然权力大,但无权拒绝我的指令,每次都兢兢业业地把事情办好,并给我一张一张写着文件描述符的纸条。直到有一次,我收到的纸条有些不同。

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    我带着些许责怪的语气问,"老操,这是怎么回事呀?"

    老操也没好气地说,"这表示端口号不够用啦!早就觉得你小子不对劲了,一个劲地对着同一个 IP 和端口创建 TCP 连接,之前没办法必须执行你给的指令,现在不行了,端口号不够用了,源端口那里我没法给你填了。"

    我也不是那么好骗的,质疑道。"老操,你也别欺负我这个新手,我可是知道端口号是 16 位的,范围是 1~65535,一共可以创建 65535 个 TCP 连接,我现在才创建了 63977 个,怎么就不够了!"

    老操鄙视地看了我一眼,"你小子可真是闲的蛋疼啊,还真一个个数,来我告诉你吧,Linux 对可使用的端口范围是有具体限制的,具体可以用如下命令查看。"

[root@wzxaini9 ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
1024 65000

    "看到没,当前的限制是1024~65000,所以你就只能有63977个端口号可以使用。"

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    我赶紧像老操道歉,"哎哟真是抱歉,还是我见识太少,那这个数可以修改么?"

    老操也没跟我一般见识,还是耐心地回答我,"可以的,具体可以 vim /etc/sysctl.conf 这个文件进行修改,我们在这个文件里添加一行记录"

net.ipv4.ip_local_port_range = 60000 60009

    "保存好后执行 sysctl -p /etc/sysctl.conf 使其生效。这样你就只有 10 个端口号可以用了,就会更快报出端口号不够用的错误"

    "原来如此,谢谢老操又给我上了一课。"

    哎不对,建立一个 TCP 连接,需要将通信两端的套接字(socket)进行绑定,如下:

    源 IP 地址:源端口号 <---->  目标 IP 地址:目标端口号

    只要这套绑定关系构成的四元组不重复即可,刚刚端口号不够用了,是因为我一直对同一个目标IP和端口建立连接,那我换一个目标端口号试试。

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    我又把这个表交给老操,老操一眼就看破了我的小心思,可是也没办法,马上去给我建立了一个新的TCP连接,并且成功返回给我一个新的文件描述符纸条。

    看来成功了,只要源端口号不用够用了,就不断变换目标 IP 和目标端口号,保证四元组不重复,我就能创建好多好多 TCP 连接啦!

    这也证明了有人说最多只能创建 65535 个TCP连接是多么荒唐。


【文件描述符】

    找到了突破端口号限制的办法,我不断找老操建立TCP连接,老操也拿我没有办法。直到有一次,我又收到了一张特殊的纸条,上面写的不是文件描述符。

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    我又没好气地问老操,"这又是咋回事?"

    老操幸灾乐祸地告诉我,"呵呵,你小子以为突破端口号限制就无法无天了?现在文件描述符不够用啦!"

    "怎么啥啥都有限制啊?你们操作系统给我们的限制也太多了吧?"

    "废话,你看看你都建了多少个TCP连接了!每建立一个TCP连接,我就得分配给你一个文件描述符,linux 对可打开的文件描述符的数量分别作了三个方面的限制。"

    系统级:当前系统可打开的最大数量,通过 cat /proc/sys/fs/file-max 查看

    用户级:指定用户可打开的最大数量,通过 cat /etc/security/limits.conf 查看

    进程级:单个进程可打开的最大数量,通过 cat /proc/sys/fs/nr_open 查看

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    天呢,真是人在屋檐下呀,我赶紧看了看这些具体的限制。

[root@wzxaini9 ~]# cat /proc/sys/fs/file-max
100000
[root@wzxaini9 ~]# cat /proc/sys/fs/nr_open
100000
[root@wzxaini9 ~]# cat /etc/security/limits.conf
...
* soft nproc 100000
* hard nproc 100000

    原来如此,我记得刚刚收到的最后一张纸条是:"100000"。再之后就收到文件描述符不够的错误了。我又请教老操,"老操,那这个限制可以修改么?"老操仍然耐心地告诉我,"当然可以,比如你想修改单个进程可打开的最大文件描述符限制为100,可以这样。"

[root@wzxaini9 ~]# echo 100 > /proc/sys/fs/nr_open

"原来如此,我这就去把各种文件描述符限制都改大一点,也不多,就在后面加个0吧?"

"额,早知道不告诉你小子了。"老操再次用鄙视的眼睛看着我。


【线程】

    突破了文件描述符限制,我又开始肆无忌惮地创建起了TCP连接。但我发现,老操的办事效率越来越慢,建立一个TCP连接花的时间越来越久。有一次,我忍不住责问老操,"你是不是在偷懒啊?之前找你建一个TCP连接就花不到一分钟时间,你看看最近我哪次不是等一个多小时你才搞好?"

    老操也忍不住了,"小进啊你还好意思说我,你知不知道你每建一个TCP连接都需要消耗一个线程来为你服务?现在我和CPU老大那里都忙得不可开交了,一直在为你这好几十万个线程不停地进行上下文切换,我们精力有限啊,自然就没法像以前那么快为你服务了。"

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    听完老操的抱怨,我想起了之前似乎有人跟我说过 C10K 问题,就是当服务器连接数达到 1 万且每个连接都需要消耗一个线程资源时,操作系统就会不停地忙于线程的上下文切换,最终导致系统崩溃,这可不是闹着玩的。

    我赶紧像操作系统老大请教,"老操,实在不好意思,一直以为你强大无比,没想到也有忙得不可开交的时候呀,那我们现在应该怎么办呀?"

    老操无奈地说,"我劝你还是别再继续玩了,没什么意义,不过我想你也不会听我的,那我跟你说两句吧。"你现在这种每建一个TCP连接就创建一个线程的方式,是最传统的多线程并发模型,早期的操作系统也只支持这种方式。但现在我进化了,我还支持 IO 多路复用的方式,简单说就是一个线程可以管理多个 TCP 连接的资源,这样你就可以用少量的线程来管理大量的 TCP 连接了。

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    我一脸疑惑,"啥是 IO 多路复用啊?" 老操一脸鄙视,"自己去查!"

    这次真是大开眼界了,我赶紧把代码改成了这种 IO 多路复用的模型,将原来的 TCP 连接销毁掉,改成同一个线程管理多个 TCP 连接,很快,操作系统老大就恢复了以往的办事效率,同时我的 TCP 连接数又多了起来。


【内存】

    突破了端口号、文件描述符、线程数等重重限制的我,再次肆无忌惮地创建起了TCP连接。直到有一次,我又收到了一张红牌。

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    嗨,又是啥东西限制了呀,改了不就完了。我不耐烦地问老操,"这回又是啥毛病?"老操说道。"这个错误叫内存溢出,每个TCP连接本身,以及这个连接所用到的缓冲区,都是需要占用一定内存的,现在内存已经被你占满了,不够用了,所以报了这个错。"

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    我看这次老操特别耐心,也没多说什么,但想着被内存限制住了,有点不太开心,于是我让老操帮我最后一个忙。"老操呀,帮小进我最后一个忙吧,你权利大,你看看把那些特别占内存的进程给杀掉,给我腾出点地方,我今天要完成我的梦想,看看TCP连接数到底能创建多少个!"老操见我真的是够拼的,便答应了我,杀死了好多进程,我很是感动。


【CPU】

    有了老操为我争取的内存资源,我又开始日以继日地创建TCP连接。老操也不再说什么,同样日以继日地执行着我的指令。有一次,老操语重心长地对我说,"差不多了,我劝你就此收手吧,现在 CPU 的占用率已经快到 100% 了。"

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    我觉得老操这人真的可笑,经过这几次的小挫折,我明白了只要思想不滑坡,方法总比苦难多,老操这人就是太谨慎了,我岂能半途而废,不管他。我仍然继续创建着 TCP 连接。直到有一天,老操把我请到一个小饭馆,一块吃了顿饭,吃好后说道。"咱哥俩也算是配合了很久啦,今天我是来跟你道个别的。"

    我很不解地问,"怎么了老操,发生什么事了?。"老操说,"由于你的 TCP 连接,CPU 占用率已经很长时间维持在 100%,我们的使用者,也就是我们的上帝,几乎什么事情都做不了了,连鼠标动一下都要等好久,所以他给我下达了一个重启的指令,我执行这个指令后,你,以及像你一样的所有进程,包括我这个操作系统本身,一切都就消失了。"我大惊失色,"啊,这么突然么?这条指令什么时候执行?"老操缓缓起身,"就现在了,刚刚这条指令还没得到 CPU 运行的机会,不过现在到了。"突然,我眼前一黑,一切都没了。


【总结】

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资源 一台服务器的资源 一个连接的资源 占满的结果
CPU 与机器配置有关 用途 机器卡死
内存 与机器配置有关 缓冲区大小 OOM
临时端口 ip_local_port_range 1 cannot assign requested address
文件描述符 fs.file-max 1 too many open files
进程、线程数 ulimit -n IO模型 系统奔溃


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