一文详解长连接黑洞重现和分析

阿里云开发者2024年04月26日约 19 分钟

阿里妹导读

本文先通过重现在不同业务线反复出现的问题，详细描述了从业务、数据库、OS等不同的角度来分析如何解决它。这是一个存在多年，遍及各个不同的业务又反反复复地在集团内部出现的一个问题，本文先通过重现展示这个问题，然后从业务、数据库、OS等不同的角度来分析如何解决它，这个问题值得每一位研发同学重视起来，避免再次踩到。

背景

为了高效率应对故障，本文尝试回答如下一些问题：

为什么数据库crash重启恢复后，业务还长时间不能恢复？
我依赖的业务做了高可用切换，但是我的业务长时间报错。

我依赖的服务下掉了一个节点，为什么我的业务长时间报错？

客户做变配，升级云服务节点规格，为什么会导致客户业务长时间报错？

目的：希望通过这篇文章尽可能地减少故障时长、让业务快速从故障中恢复。

重现

空说无凭，先也通过一次真实的重现来展示这个问题。
LVS+MySQL高可用切换 OS默认配置参数：

#sysctl -a |grep -E "tcp_retries|keepalive"net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 30net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 5net.ipv4.tcp_keepalive_time = 10net.ipv4.tcp_retries1 = 3net.ipv4.tcp_retries2 = 15  //主要是这个参数，默认以及alios 几乎都是15

LVS对外服务端口是3001，后面挂的是3307，假设3307是当前的Master，Slave是3306，当检测到3307异常后会从LVS上摘掉3307挂上3306做高可用切换。

切换前的LVS状态：

#ipvsadm -L --timeoutTimeout (tcp tcpfin udp): 900 120 300#ipvsadm -L -nIP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConnTCP  127.0.0.1:3001 rr  -> 127.0.0.1:3307               Masq    1      0          0

Sysbench启动压力模拟用户访问，在31秒的时候模拟管控检测到3307的Master无法访问，所以管控执行切主把3306的Slave提升为新的Master，同时到LVS摘掉 3307，挂上3306，此时管控端着冰可乐、翘着二郎腿，得意地说，你就看吧我们管控牛不牛、我们的高可用牛不牛，这一套行云流水3秒钟不到全搞定。切换命令如下：

#cat del3307.shipvsadm -d -t  127.0.0.1:3001 -r 127.0.0.1:3307 ; ipvsadm -a -t  127.0.0.1:3001 -r 127.0.0.1:3306 -m

此时Sysbench运行状态，在第32秒如期跌0：

#/usr/local/bin/sysbench --debug=on --mysql-user='root' --mysql-password='123' --mysql-db='test' --mysql-host='127.0.0.1' --mysql-port='3001' --tables='16'  --table-size='10000' --range-size='5' --db-ps-mode='disable' --skip-trx='on' --mysql-ignore-errors='all' --time='11080' --report-interval='1' --histogram='on' --threads=1 oltp_read_write runsysbench 1.1.0 (using bundled LuaJIT 2.1.0-beta3)Running the test with following options:Number of threads: 1Report intermediate results every 1 second(s)Debug mode enabled.Initializing random number generator from current timeInitializing worker threads...DEBUG: Worker thread (#0) startedDEBUG: Reporting thread startedDEBUG: Worker thread (#0) initializedThreads started![ 1s ] thds: 1 tps: 51.89 qps: 947.00 (r/w/o: 739.44/207.56/0.00) lat (ms,95%): 35.59 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 2s ] thds: 1 tps: 60.03 qps: 1084.54 (r/w/o: 841.42/243.12/0.00) lat (ms,95%): 22.28 err/s 0.00 reconn/s: 0.00…………[ 29s ] thds: 1 tps: 68.00 qps: 1223.01 (r/w/o: 952.00/271.00/0.00) lat (ms,95%): 16.12 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 30s ] thds: 1 tps: 66.00 qps: 1188.00 (r/w/o: 924.00/264.00/0.00) lat (ms,95%): 16.71 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 31s ] thds: 1 tps: 67.00 qps: 1203.96 (r/w/o: 937.97/265.99/0.00) lat (ms,95%): 17.95 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 32s ] thds: 1 tps: 22.99 qps: 416.85 (r/w/o: 321.88/94.96/0.00) lat (ms,95%): 15.55 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 33s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 34s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 35s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00

5分钟后故障报告大批量涌进来，客户：怎么回事，我们的业务挂掉10分钟了，报错都是访问MySQL超时，赶紧给我看看，从监控确实看到10分钟后客户业务还没恢复：

[ 601s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 602s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 603s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 604s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00

这时oncall都被从被窝里拎了起来，不知谁说了一句赶紧恢复吧，先试试把应用重启，5秒钟后应用重启完毕，业务恢复，大家开心地笑了，又成功防御住一次故障升级，还是重启大法好！在业务/Sysbench QPS跌0期间可以看到3307被摘掉，3306成功挂上去了，但是没有新连接建向3306，业务/Sysbench使劲薅着3307。

#ipvsadm -L -n --stats -t 127.0.0.1:3001Prot LocalAddress:Port               Conns   InPkts  OutPkts  InBytes OutBytes  -> RemoteAddress:PortTCP  127.0.0.1:3001                      2   660294   661999 78202968  184940K  -> 127.0.0.1:3306                      0        0        0        0        0#ipvsadm -Lcn | head -10IPVS connection entriespro expire state       source             virtual            destinationTCP 13:11  ESTABLISHED 127.0.0.1:33864    127.0.0.1:3001     127.0.0.1:3307#netstat -anto |grep -E "Recv|33864|3001|33077"Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       Timertcp        0    248 127.0.0.1:33864         127.0.0.1:3001          ESTABLISHED probe (33.48/0/8)tcp6       0     11 127.0.0.1:3307          127.0.0.1:33864         ESTABLISHED on (49.03/13/0)

直到900多秒后OS重试了15次发现都失败，于是向业务/Sysbench返回连接异常，触发业务/Sysbench释放异常连接重建新连接，新连接指向了新的Master 3306，业务恢复正常。

[ 957s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00DEBUG: Ignoring error 2013 Lost connection to MySQL server during query,DEBUG: Reconnecting DEBUG: Reconnected[ 958s ] thds: 1 tps: 53.00 qps: 950.97 (r/w/o: 741.98/208.99/0.00) lat (ms,95%): 30.26 err/s 0.00 reconn/s: 1.00[ 959s ] thds: 1 tps: 64.00 qps: 1154.03 (r/w/o: 896.02/258.01/0.00) lat (ms,95%): 22.69 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 960s ] thds: 1 tps: 66.00 qps: 1184.93 (r/w/o: 923.94/260.98/0.00) lat (ms,95%): 25.28 err/s 0.00 reconn/s: 0.00

到这里重现了故障中经常碰到的业务需要900多秒才能慢慢恢复，这个问题也就是 TCP长连接流量黑洞 。如果我们 把net.ipv4.tcp_retries2改5 再来做这个实验，就会发现业务/Sysbench 只需要20秒就能恢复了，也就是这个流量黑洞从900多秒变成了20秒，这回oncall 不用再被从被窝里拎出来了吧：

[ 62s ] thds: 1 tps: 66.00 qps: 1191.00 (r/w/o: 924.00/267.00/0.00) lat (ms,95%): 17.63 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 63s ] thds: 1 tps: 63.00 qps: 1123.01 (r/w/o: 874.00/249.00/0.00) lat (ms,95%): 17.63 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 64s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 65s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 66s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 67s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 68s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 69s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 70s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 71s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 72s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 73s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 74s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 75s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 76s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 77s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 78s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 79s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 80s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 81s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 82s ] thds: 1 tps: 0.00 qps: 0.00 (r/w/o: 0.00/0.00/0.00) lat (ms,95%): 0.00 err/s 0.00 reconn/s: 0.00DEBUG: Ignoring error 2013 Lost connection to MySQL server during query,DEBUG: Reconnecting DEBUG: Reconnected[ 83s ] thds: 1 tps: 26.00 qps: 457.01 (r/w/o: 357.01/100.00/0.00) lat (ms,95%): 16.41 err/s 0.00 reconn/s: 1.00[ 84s ] thds: 1 tps: 60.00 qps: 1086.94 (r/w/o: 846.96/239.99/0.00) lat (ms,95%): 26.68 err/s 0.00 reconn/s: 0.00[ 85s ] thds: 1 tps: 63.00 qps: 1134.02 (r/w/o: 882.01/252.00/0.00) lat (ms,95%): 23.10 err/s 0.00 reconn/s: 0.00

LVS+Nginx上重现 NGINX上重现这个问题： https://asciinema.org/a/649890 3分钟的录屏，这个视频构造了一个LVS的HA切换过程，LVS后有两个Nginx，模拟一个Nginx(Master)断网后，将第二个Nginx(Slave)加入到LVS并将第一个Nginx(Master)从LVS摘除，期望业务能立即恢复，但实际上可以看到之前的所有长连接都没有办法恢复，进入一个流量黑洞。

TCP长连接流量黑洞原理总结

TCP长连接在发送包的时候，如果没收到ack默认会进行15次重传(net.ipv4.tcp_retries2=15,这个不要较真，会根据RTO时间大致是15次)，累加起来大概是924秒，所以我们经常看到业务需要15分钟左右才恢复。这个问题存在所有TCP长连接中(几乎没有业务还在用短连接吧？)，问题的本质和LVS/k8s Service都没关系。我这里重现带上LVS只是为了场景演示方便。这个问题的本质就是如果Server突然消失(宕机、断网，来不及发RST)客户端如果正在发东西给Server就会遵循TCP重传逻辑不断地TCP retran，如果一直收不到Server的ack，大约重传15次，900秒左右。所以不是因为有LVS导致了这个问题，而是在某些场景下LVS有能力处理得更优雅，比如删除RealServer的时候LVS完全可以感知这个动作并reset掉其上所有长连接。为什么在K8S上这个问题更明显呢，K8S讲究的就是服务不可靠，随时干掉POD(切断网络），如果干POD之前能kill-9(触发reset)、或者close业务触发断开连接那还好，但是大多时候啥都没干，有强摘POD、有直接隔离等等，这些操作都会导致对端只能TCP retran。

怎么解决

业务方 业务方要对自己的请求超时时间有控制和兜底，不能任由一个请求长时间Hang在那里。比如JDBC URL支持设置SocketTimeout、ConnectTimeout，我相信其他产品也有类似的参数，业务方要设置这些值，不设置就是如上重现里演示的900多秒后才恢复。

SocketTimeout

只要是连接有机会设置SocketTimeout就一定要设置，具体值可以根据你们能接受的慢查询来设置；分析、AP类的请求可以设置大一点。 最重要的：任何业务只要你用到了TCP长连接一定要配置一个恰当的SocketTimeout ，比如Jedis是连接池模式，底层超时之后，会销毁当前连接，下一次重新建连，就会连接到新的切换节点上去并恢复。

RFC 5482 TCP_USER_TIMEOUT

RFC 5482[1] 中增加了 TCP_USER_TIMEOUT 这个配置，通常用于定制当TCP网络连接中出现数据传输问题时，可以等待多长时间前释放网络资源，对应Linux这个 commit[2]。 TCP_USER_TIMEOUT 是一个整数值，它指定了当TCP连接的数据包在发送后多长时间内未被确认（即没有收到ACK），TCP连接会考虑释放这个连接。打个比方，设置 TCP_USER_TIMEOUT 后，应用程序就可以指定说：“如果在30秒内我发送的数据没有得到确认，那我就认定网络连接出了问题，不再尝试继续发送，而是直接断开连接。”这对于确保连接质量和维护用户体验是非常有帮助的。在Linux中，可以使用 setsockopt 函数来设置某个特定socket的 TCP_USER_TIMEOUT值：

int timeout = 30000; // 30 secondssetsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_USER_TIMEOUT, (char *)&timeout, sizeof(timeout));

在这行代码中， sock 是已经established的TCP socket，我们将该socket的 TCP_USER_TIMEOUT 设置为30000毫秒，也就是30秒。如果设置成功，这个TCP连接在发送数据包后30秒内如果没有收到ACK确认，将开始进行TCP连接的释放流程。 TCP_USER_TIMEOUT相较SocketTimeout可以做到更精确(不影响慢查询)，SocketTimeout超时是不区分ACK还是请求响应时间的，但是TCP_USER_TIMEOUT要求下层的API、OS都支持。比如JDK不支持TCP_USER_TIMEOUT，但是 Netty框架自己搞了Native[3] 来实现对TCP_USER_TIMEOUT以及其它OS参数的设置，在这些基础上 Redis的Java客户端lettuce依赖了Netty，所以也可以设置TCP_USER_TIMEOUT[4]。原本我是想在Druid上提个feature来支持TCP_USER_TIMEOUT，这样集团绝大部分业务都可以无感知解决掉这个问题，但查下来发现JDK不支持设置这个值，想要在Druid里面实现设置TCP_USER_TIMEOUT的话，得像Netty一样走Native绕过JDK 来设置，这对Druid而言有点重了。

ConnectTimeout

这个值是针对新连接创建超时时间设置，一般设置3-5秒就够长了。

连接池

建议参考这篇《数据库连接池配置推荐》[5] 这篇里的很多建议也适合业务、应用等，你把数据库看成一个普通服务就好理解了。补充下如果用的是Druid数据库连接池不要用它来设置你的SocketTimeout参数，因为他有bug导致你觉得设置了但实际没设置上， 2024-03-16号的1.2.22[6] 这个Release才fix，所以强烈建议你讲SocketTimeout写死在JDBC URL中简单明了。
OS兜底 假如业务是一个AP查询/一次慢请求，一次查询/请求就是需要半个小时，将 SocketTimeout设置太小影响正常的查询，那么可以将如下OS参数改小，从OS层面进行兜底。

net.ipv4.tcp_retries2 = 8net.ipv4.tcp_syn_retries = 4

keepalive

keepalive默认7200秒太长了，建议改成20秒，可以在OS镜像层面固化，然后各个业务可以patch自己的值；如果一条连接限制超过900秒LVS就会Reset这条连接，但是我们将keepalive设置小于900秒的话，即使业务上一直闲置，因为有keepalive触发心跳包，让LVS不至于Reset，这也就避免了当业务取连接使用的时候才发现连接已经不可用被断开了，往往这个时候业务抛错误的时间很和真正Reset时间还差了很多，不好排查。在触发TCP retransmission后会停止keepalive探测。
LVS 如果你们试用了aliyun的SLB，当摘除节点的时候支持你设置一个时间，过了这个时间aliyun的SLB就会向这些连接的客户端发Reset干掉这些流量，让客户端触发新建连接，从故障中快速恢复，这是一个实例维度的参数，建议云上所有产品都支持起来，管控可以在购买aliyun的SLB的时候设置一个默认值： connection_drain_timeout

其它

神奇的900秒 上面阐述的长连接流量黑洞一般是900+秒就恢复了，有时候我们经常在日志中看到 CommunicationsException:Communications link failure 900秒之类的错误，恰好LVS也是设置的900秒闲置Reset。

#ipvsadm -L --timeoutTimeout (tcp tcpfin udp): 900 120 300

为什么这个问题这几年才明显暴露

工程师们混沌了几十年；
之前因为出现频率低重启业务就糊弄过去了；
对新连接不存在这个问题；
有些连接池配置了Check机制(Check机制一般几秒钟超时fail)；
微服务多了；
云上LVS普及了；
k8s service大行其道；

我用的7层是不是就没有这个问题了？ 幼稚，你4层都挂了7层还能蹦跶，再说一遍只要是TCP长连接就有这个问题。
极端情况 A长连接访问B服务，B服务到A网络不通，假如B发生HA，一般会先Reset/断开B上所有连接(比如MySQL会去kill所有processlist；比如重启MySQL——假如这里的B是MySQL)，但是因为网络不通这里的reset、fin网络包都无法到达A，所以B是无法兜底这个异常场景，A无法感知B不可用了，会使用旧连接大约15分钟。最可怕的是B服务不响应，B所在的OS还在响应，那么在A的视角网络是正常的，这时只能A自己来通过超时兜底。

总结

这种问题在LVS场景下暴露更明显了，但是又和LVS没啥关系，任何业务长连接都会导致这个900秒左右的流量黑洞，首先要在业务层面重视这个问题，要不以后数据库一挂掉还得重启业务才能从故障中将恢复，所以业务层面处理好了可以避免900秒黑洞和重启业务，达到快速从故障中恢复。再强调下这个问题如果去掉LVS/k8s Service/软负载等让两个服务直连，然后拔网线也会同样出现。最佳实践总结：

如果你的业务支持设置SocketTimeout那么请一定要设置，但不一定适合分析类就是需要长时间返回的请求；
最好的方式是设置OS层面的TCP_USER_TIMEOUT参数，只要长时间没有ack就报错返回，但JDK不支持直接设置；
如果用了ALB/SLB就一定要配置connection_drain_timeout这个参数；
OS镜像层面也可以将tcp_retries2设置为5-10次做一个兜底；
对你的超时时间做到可控、可预期；

SocketTimeout

RFC 5482 TCP_USER_TIMEOUT

ConnectTimeout

连接池

keepalive

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