TIME_WAIT引起Cannot assign requested address报错

1.  问题描述 
   有时候用redis客户端（php或者客户端）连接Redis服务器，报错：“Cannot assign requested address。”

     原因是客户端频繁的连接服务器，由于每次连接都在很短时间内结束，导致很多的TIME_WAIT。所以新的连接没办法绑定端口，即“Cannot assign requested     address”。

     我们可以通过netstat -nat | grep 127.0.0.1:6380 查看连接127.0.0.1:6380的状态。你会发现很多TIME_WAIT。

     很多人想到要用修改内核参数来解决：

     执行命令修改如下2个内核参数  
     sysctl -w net.ipv4.tcp_timestamps=1  开启对于TCP时间戳的支持,若该项设置为0，则下面一项设置不起作用
     sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_recycle=1  表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收

     其实不然，根本没有理解出现这个问题的本质原因。首先我们了解Redis处理客户端连接的机制和TCP的TIME_WAIT.

2.  Redis处理客户端连接机制

（参考：）

1、建立连接（TCP连接）：

      Redis 通过监听一个 TCP 端口或者 Unix socket 的方式来接收来自客户端的连接，当一个连接建立后，Redis 内部会进行以下一些操作：

•      首先，客户端 socket 会被设置为非阻塞模式，因为 Redis 在网络事件处理上采用的是非阻塞多路复用模型。
•      然后为这个socket 设置 TCP_NODELAY 属性，禁用 Nagle 算法
•      然后创建一个 readable 的文件事件用于监听这个客户端 socket 的数据发送

     当客户端连接被初始化后，Redis 会查看目前的连接数，然后对比配置好的 maxclients 值，如果目前连接数已经达到最大连接数 maxclients 了，那么说明这个连接不能再接收，Redis 会直接返回客户端一个连接错误，并马上关闭掉这个连接。

2、服务器处理顺序

     如果有多个客户端连接上 Redis，并且都向 Redis 发送命令，那么 Redis 服务端会先处理哪个客户端的请求呢？答案其实并不确定，主要与两个因素有关，一是客户端对应的 socket 对应的数字的大小，二是 kernal 报告各个客户端事件的先后顺序。

Redis 处理一个客户端传来数据的步骤如下：

•       它对触发事件的 socket 调用一次 read()，只读一次（而不是把这个 socket 上的消息读完为止），是为了防止由于某个别客户端持续发送太多命令，导致其它客户端的请求长时间得不到处理的情况。
• 当然，当这一次 read() 调用完成后，它里面无论包含多少个命令，都会被一次性顺序地执行。这样就保证了对各个客户端命令的公平对待。
• 
  
• 3、关于最大连接数 maxclients

       在 Redis2.4 中，最大连接数是被直接硬编码在代码里面的，而在2.6版本中这个值变成可配置的。maxclients 的默认值是 10000，你也可以在 redis.conf 中对这个值进行修改。

      当然，这个值只是 Redis 一厢情愿的值，Redis 还会照顾到系统本身对进程使用的文件描述符数量的限制。在启动时 Redis 会检查系统的 soft limit，以查看打开文件描述符的个数上限。如果系统设置的数字，小于咱们希望的最大连接数加32，那么这个 maxclients 的设置将不起作用，Redis 会按系统要求的来设置这个值。（加32是因为 Redis 内部会使用最多32个文件描述符，所以连接能使用的相当于所有能用的描述符号减32）。

       当上面说的这种情况发生时（maxclients 设置后不起作用的情况），Redis 的启动过程中将会有相应的日志记录。比如下面命令希望设置最大客户端数量为100000，所以 Redis 需要 100000+32 个文件描述符，而系统的最大文件描述符号设置为10144，所以 Redis 只能将 maxclients 设置为 10144 – 32 = 10112。所以说当你想设置 maxclients 值时，最好顺便修改一下你的系统设置，当然，养成看日志的好习惯也能发现这个问题。

具体的设置方法就看你个人的需求了，你可以只修改此次会话的限制，也可以直接通过sysctl 修改系统的默认设置。如：

ulimit -Sn 100000 # This will only work if hard limit is big enough.
sysctl -w fs.file-max=100000

4、输出缓冲区大小限制

       对于 Redis 的输出（也就是命令的返回值）来说，其大小经常是不可控的，可能是一个简单的命令，能够产生体积庞大的返回数据。另外也有可能因为执行命令太多，产生的返回数据的速率超过了往客户端发送的速率，这时也会产生消息堆积，从而造成输出缓冲区越来越大，占用过多内存，甚至导致系统崩溃。

      所以 Redis 设置了一些保护机制来避免这种情况的出现，这些机制作用于不同种类的客户端，有不同的输出缓冲区大小限制，限制方式有两种：

•       一种是大小限制，当某一个客户端的缓冲区超过某一大小时，直接关闭掉这个客户端连接
•      另一种是当某一个客户端的缓冲区持续一段时间占用空间过大时，也直接关闭掉客户端连接

对于不同客户端的策略如下：

•        对普通客户端来说，限制为0，也就是不限制，因为普通客户端通常采用阻塞式的消息应答模式，如：发送请求，等待返回，再发请求，再等待返回。这种模式通常不会导致输出缓冲区的堆积膨胀。
•        对于 Pub/Sub 客户端来说，大小限制是32m，当输出缓冲区超过32m时，会关闭连接。持续性限制是，当客户端缓冲区大小持续60秒超过8m，也会导致连接关闭。
•        而对于 Slave 客户端来说，大小限制是256m，持续性限制是当客户端缓冲区大小持续60秒超过64m时，关闭连接。

上面三种规则都是可配置的。可以通过 CONFIG SET 命令或者修改 redis.conf 文件来配置。

5、输入缓冲区大小限制

      Redis 对输入缓冲区大小的限制比较暴力，当客户端传输的请求大小超过1G时，服务端会直接关闭连接。这种方式可以有效防止一些客户端或服务端 bug 导致的输入缓冲区过大的问题。

6、Client超时

      对当前的 Redis 版本来说，服务端默认是不会关闭长期空闲的客户端的。但是你可以修改默认配置来设置你希望的超时时间。比如客户端超过多长时间无交互，就直接关闭。同理，这也可以通过 CONFIG SET 命令或者修改 redis.conf 文件来配置。

      值得注意的是，超时时间的设置，只对普通客户端起作用，对 Pub/Sub 客户端来说，长期空闲状态是正常的。

      另外，实际的超时时间可能不会像设定的那样精确，这是因为 Redis 并不会采用计时器或者轮训遍历的方法来检测客户端超时，而是通过一种渐近式的方式来完成，每次检查一部分。所以导致的结果就是，可能你设置的超时时间是10s，但是真实执行的时间是超时12s后客户端才被关闭。

3.  TCP的TIME_WAIT状态

    主动关闭的Socket端会进入TIME_WAIT状态，并且持续2MSL时间长度，MSL就是maximum segment lifetime(最大分节生命期），在windows下默认240秒，MSL是一个IP数据包能在互联网上生存的最长时间，超过这个时间将在网络中消失。MSL在RFC 1122上建议是2分钟，而源自berkeley的TCP实现传统上使用30秒，因而，TIME_WAIT状态一般维持在1-4分钟。

TIME_WAIT状态存在的理由：

1）可靠地实现TCP全双工连接的终止：（即在TIME_WAIT下等待2MSL，只是为了尽最大努力保证四次握手正常关闭）。

      TCP协议规定，对于已经建立的连接，网络双方要进行四次握手才能成功断开连接，如果缺少了其中某个步骤，将会使连接处于假死状态，连接本身占用的资源不会被释放。

    在进行关闭连接四路握手协议时，最后的ACK是由主动关闭端发出的，如果这个最终的ACK丢失，服务器将重发最终的FIN，因此客户端必须维护状态信息允许它重发最终的ACK。如果不维持这个状态信息，那么客户端将响应RST分节，因而，要实现TCP全双工连接的正常终止，必须处理终止序列四个分节中任何一个分节的丢失情况，主动关闭的客户端必须维持状态信息进入TIME_WAIT状态。

    我们看客户端主动关闭服务器被动关闭四次握手的流程：

1、 客户端发送FIN报文段，进入FIN_WAIT_1状态。

2、 服务器端收到FIN报文段，发送ACK表示确认，进入CLOSE_WAIT状态。

3、 客户端收到FIN的确认报文段，进入FIN_WAIT_2状态。

4、 服务器端发送FIN报文端，进入LAST_ACK状态。

5、 客户端收到FIN报文端，发送FIN的ACK，同时进入TIME_WAIT状态，启动TIME_WAIT定时器，超时时间设为2MSL。

6、 服务器端收到FIN的ACK，进入CLOSED状态。

7、 客户端在2MSL时间内没收到对端的任何响应，TIME_WAIT超时，进入CLOSED状态。

      如果不考虑报文延迟、丢失，确认延迟、丢失等情况，TIME_WAIT的确没有存在的必要。当网络在不理想的情况下通常会有报文的丢失延迟发生，让我们看下面的一个特例：

     客户端进入发送收到四次握手关闭的最后一个ACK后，进入TIME_WAIT同时发送ACK，如果其不停留2MSL时间，而是马上关闭连接，销毁连接上的资源，当发送如下情况时，将不能正常的完成四次握手关闭：

客户端发送的ACK在网路上丢失，这样服务器端收不到最后的ACK，重传定时器超时，将重传FIN到客户端，由于客户端关于该连接的所有资源都释放，收到重传的FIN后，它没有关于这个FIN的任何信息，所以向服务器端发送一个RST报文端，服务器端收到RST后，认为搞连接出现了异常（而非正常关闭）。

所以，在TIME_WAIT状态下等待2MSL时间端，是为了能够正确处理第一个ACK（最长生存时间为MSL）丢失的情况下，能够收到对端重传的FIN（最长生存时间为MSL），然后重传ACK。

     是否只要主动关闭方在TIME_WAIT状态下停留2MSL，四次握手关闭就一定正常完成呢？

     答案是否定的？可以考虑如下的情况， 

     TIME_WAIT状态下发送的ACK丢失，LAST_ACK时刻设定的重传定时器超时，发送重传的FIN，很不幸，这个FIN也丢失，主动关闭方在TIME_WAIT状态等待2MSL没收到任何报文段，进入CLOSED状态，当此时被动关闭方并没有收到最后的ACK。所以即使要主动关闭方在TIME_WAIT状态下停留2MSL，也不一定表示四次握手关闭就一定正常完成。

2）确保老的报文段在网络中消失，不会影响新建立的连接 

        考虑如下的情况，主动关闭方在TIME_WAIT状态下发送的ACK由于网络延迟的原因没有按时到底（但并没有超过MSL的时间），导致被动关闭方重传FIN，在FIN重传后，延迟的ACK到达，被动关闭方进入CLOSED状态，如果主动关闭方在TIME_WAIT状态下发送ACK后马上进入CLOSED状态（也就是没有等待）2MSL时间，则上述的连接已不存在：

       现在考虑下面的情况，假设客户端（192.186.0.1:23） 到服务器192.168.1.1:6380）的TCP连接, 由于连接已关闭，我们可以马上建立一个相同的IP地址和端口之间的TCP连接，并且这个连接也是客户端（192.186.0.1:23） 到服务器192.168.1.1:6380），那么当上一个连接的重传FIN到达主动关闭方时，被新的连接所接受，这将导致新的连接被复位，很显然，这不是我们希望看到的事情。

       新的连接要建立，必须是在主动关闭方和被动关闭方都进入到CLOSED状态之后才有可能。所以，最有可能导致旧的报文段影响新的连接的情况是：

      在TIME_WAIT状态之前，主动关闭方发送的报文端在网络中延迟，但是TIME_WAIT设定为2MSL时，这些报文端必然会在网络中消失（最大生存时间为MSL）。被动关闭方最有可能影响新连接的报文段就是我们上面讨论的情况，对方ACK延迟到达，在此之前重传的FIN,这个报文端发送之后，TIME_WAIT的定时器超时时间肯定大于MSL，在1MSL时间内，这个FIN要么在网络中因为生成时间到达而消失，要么到达主动关闭方被这确的处理，不会影响新建立的连接。新的SCTP协议通过在消息头部添加验证标志避免了TIME_WAIT状态。

3）有关内核级别的keepalive和time_wait的优化调整

有关内核级别的keepalive和time_wait的优化调整
vi /etc/sysctl
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1800
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
net.core.netdev_max_backlog =8096

修改完记的使用sysctl -p 让它生效
以上参数的注解
/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_reuse
该文件表示是否允许重新应用处于TIME-WAIT状态的socket用于新的TCP连接。

/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle
recyse是加速TIME-WAIT sockets回收

对tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle的修改，可能会出现.warning, got duplicate tcp line warning, got BOGUS tcp line.上面这二个参数指的是存在这两个完全一样的TCP连接，这会发生在一个连接被迅速的断开并且重新连接的情况，而且使用的端口和地址相同。但基本 上这样的事情不会发生，无论如何，使能上述设置会增加重现机会。这个提示不会有人和危害，而且也不会降低系统性能，目前正在进行工作

/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
表示当keepalive起用的时候,TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 最佳值和BSD一样为30
fin_wait1状态是在发起端主动要求关闭tcp连接，并且主动发送fin以后，等待接收端回复ack时候的状态。对于本端断开的socket连接，TCP保持在FIN-WAIT-2状态的时间。对方可能会断开连接或一直不结束连接或不可预料的进程死亡。

/proc/sys/net/core/netdev_max_backlog
该文件指定了，在接口接收数据包的速率比内核处理这些包的速率快时，允许送到队列的数据包的最大数目 

4）time_wait的优化处理

Linux系统中TCP是面向连接的,在实际应用中通常都需要检测连接是否还可用.如果不可用,可分为:

a. 连接的对端正常关闭.

b. 连接的对端非正常关闭,这包括对端设备掉电,程序崩溃,网络被中断等.这种情况是不能也无法通知对端的,所以连接会一直存在,浪费国家的资源.

TCP协议栈有个keepalive的属性,可以主动探测socket是否可用,不过这个属性的默认值很大.

全局设置可更改/etc/sysctl.conf,加上:

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 20
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 3
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 60

在程序中设置如下:

int keepAlive = 1; // 开启keepalive属性
int keepIdle = 60; // 如该连接在60秒内没有任何数据往来,则进行探测
int keepInterval = 5; // 探测时发包的时间间隔为5 秒
int keepCount = 3; // 探测尝试的次数.如果第1次探测包就收到响应了,则后2次的不再发.

setsockopt(rs, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepAlive, sizeof(keepAlive));
setsockopt(rs, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void*)&keepIdle, sizeof(keepIdle));
setsockopt(rs, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepInterval, sizeof(keepInterval));

setsockopt(rs, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepCount, sizeof(keepCount));

4.  解决问题

    我们了解Redis处理客户端连接的机制和TCP的TIME_WAIT.我们可以重现上述问题，我们快速建立2000个连接，