高并发TCP连接数目问题

linux可通过五元组唯一确定一个链接：源IP，源端口，目的IP，目的端口，传输层协议。而一个端口不允许被两个及以上进程占用（一个进程可同时占用多个端口），据此是否可以推测一台linux服务器最多可以同时处理2^16（65536，或65K）个链接即并发请求呢？

一台服务器到底能够支持多少TCP并发连接呢？

1. 文件描述符限制

对于服务器来说，每一个TCP连接都要占用一个文件描述符，一旦文件描述符使用完，新的连接到来返回给我们的错误是"Socket/File:Can't open so many files"。

这时，你需要明白操作系统可以打开最大文件数的限制。

1）进程限制(用户限制)

执行 ulimit -n 输出1024，说明对于一个进程而言最多只能打开1024个文件，所以你要采用此默认配置最多也就可以并发上千个TCP连接。

临时修改：ulimit -n 1000000，但是这种临时修改只对当前登录的用户目前使用的环境有效，系统重启或用户退出会就失效。

永久生效：修改/etc/security/limits.conf 文件：

* soft nofile 1000000

* hard nofile 1000000

ulimit -SHn 1000000 >> /etc/rc.local

2）全局限制

执行 cat /proc/sys/fs/file-nr

1216 0 187612

>1216：已经分配的文件描述符数

>0：已经分配但没有使用的文件描述符数，这里的意思是内核分配了1216，然后1216个都用光了，所以“分配了但没有使用的句柄数目”为 0 。

>187612：最大文件句柄数

注意：在kernel2.6 版本中第二项的值总为0，这并不是一个错误，它实际上意味着已经分配的文件描述符无一浪费的都已经被使用。可以通过在/etc/sysctl.conf里定义fs.file-max = 1000000 来调整最后一个值的大小。

2. 端口号范围限制

操作系统上端口号1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的，由于每个tcp连接都要占用一个端口号，所以我们最多可以使用60000多个并发连接，这是对客户端的理解。

分析一下：

1）如何标识一个TCP连接？系统用一个4元组来标识一个TCP连接：（local ip，local port，remote ip，remote port) 。对于accept来说，accept的sock不占新的端口，而我们作为服务器实际只是使用了bind这一个端口。

说明端口65535并不是并发量的限制。

2) server最大tcp连接数：server通常固定在某一个本地端口上监听，等待client的连接请求。不考虑地址重用的情况下，即使多个ip，本地监听端口也是独占的。因此server端tcp连接4元组中只有remote ip 和 remote port 是可变的，因此最大tcp连接数为客户端ip数 * 客户端port数。对于ipv4，不考虑ip地址等因素，最大tcp连接约为2的32次方(ip数) * 2的16次方(port数)。

也就是server端：单机最大tcp连接数约为：2的48次方。

附加问题：

问题1：查看文件描述符使用 lsof查看到的句柄数和/proc/sys/fs/file-nr 值不一样，为什么？

[root@localhost ~]# lsof | wc -l

710

[root@localhost ~]# cat /proc/sys/fs/file-nr

416 0 1000000

答案：一个文件可以被多个进程打开，lsof所列出来的是每个进程所打开的文件，所以lsof的数值比file-nr要大很正常。

问题2：关于文件句柄到底设置多大合适？

查看句柄数的方法：

[root@node1 ~]# cat /proc/sys/fs/file-nr

832 0 97321

[root@node1 ~]# cat /proc/sys/fs/file-max

97321

默认最大句柄数为97321。

这个值在kernel的文档里意思是file-max一般为内存大小（KB）的10%来计算，如果使用shell，可以这样计算：

grep -r MemTotal /proc/meminfo | awk '{printf("%d",$2/10)}'

计算出来的值一般和默认最大句柄数近似。

echo "fs.file-max = 100133" >> /etc/sysctl.conf && sysctl -p

解决高并发socket最大连接数所受的各种限制（解除IO限制）

1. 修改用户进程可打开文件数限制

修改Linux对当前用户的进程同时打开的文件数量的软限制(soft limit)和硬限制(hardlimit)。软限制是指Linux在当前系统能够承受的范围内进一步限制用户同时打开的文件数；硬限制则是根据系统硬件资源状况(主要是系统内存)计算出来的系统最多可同时打开的文件数量。通常软限制小于或等于硬限制。

第一步，修改/etc/security/limits.conf文件，在文件中添加如下行：

speng soft nofile 10240

speng hard nofile 10240

其中speng指定了要修改哪个用户的打开文件数限制，可用’*'号表示修改所有用户的限制；soft或hard指定要修改软限制还是硬限制；10240则指定了想要修改的新的限制值，即最大打开文件数(请注意软限制值要小于或等于硬限制)。

第二步，修改/etc/pam.d/login文件，在文件中添加如下行：

session required /lib/security/pam_limits.so

这是告诉Linux在用户完成系统登录后，应该调用pam_limits.so模块来设置系统对该用户可使用的各种资源数量的最大限制(包括用户可打开的最大文件数限制)，而pam_limits.so模块就会从/etc/security/limits.conf文件中读取配置来设置这些限制值。修改完后保存此文件。

第三步，查看Linux系统级的最大打开文件数限制，使用如下命令：

$ cat /proc/sys/fs/file-max

12158

这表明这台Linux系统最多允许同时打开(即包含所有用户打开文件数总和)12158个文件，是Linux系统级硬限制，所有用户级的打开文件数限制都不应超过这个数值。通常这个系统级硬限制是Linux系统在启动时根据系统硬件资源状况计算出来的最佳的最大同时打开文件数限制，如果没有特殊需要，不应该修改此限制，除非想为用户级打开文件数限制设置超过此限制的值。修改此硬限制的方法是修改/etc/rc.local脚本，在脚本中添加如下行：

echo 22158 > /proc/sys/fs/file-max

这是让Linux在启动完成后强行将系统级打开文件数硬限制设置为22158。修改完后保存此文件。

完成上述步骤后重启系统，一般情况下就可以将Linux系统对指定用户的单一进程允许同时打开的最大文件数限制设为指定的数值。如果重启后用 ulimit-n命令查看用户可打开文件数限制仍然低于上述步骤中设置的最大值，这可能是因为在用户登录脚本/etc/profile中使用ulimit -n命令已经将用户可同时打开的文件数做了限制。由于通过ulimit-n修改系统对用户可同时打开文件的最大数限制时，新修改的值只能小于或等于上次 ulimit-n设置的值，因此想用此命令增大这个限制值是不可能的。所以，如果有上述问题存在，就只能去打开/etc/profile脚本文件，在文件中查找是否使用了ulimit-n限制了用户可同时打开的最大文件数量，如果找到，则删除这行命令，或者将其设置的值改为合适的值，然后保存文件，用户退出并重新登录系统即可。

通过上述步骤，就为支持高并发TCP连接处理的通讯处理程序解除关于打开文件数量方面的系统限制。

2. 修改网络内核对TCP连接的有关限制

在Linux上编写支持高并发TCP连接的客户端通讯处理程序时，有时会发现尽管已经解除了系统对用户同时打开文件数的限制，但仍会出现并发TCP连接数增加到一定数量时，再也无法成功建立新的TCP连接的现象。出现这种现在的原因有多种。

第一种原因可能是因为Linux网络内核对本地端口号范围有限制。此时，进一步分析为什么无法建立TCP连接，会发现问题出在connect()调用返回失败，查看系统错误提示消息是“Can’t assign requested address”。同时，如果在此时用tcpdump工具监视网络，会发现根本没有TCP连接时客户端发SYN包的网络流量。这些情况说明问题在于本地Linux系统内核中有限制。其实，问题的根本原因在于Linux内核的TCP/IP协议实现模块对系统中所有的客户端TCP连接对应的本地端口号的范围进行了限制(例如，内核限制本地端口号的范围为1024~32768之间)。当系统中某一时刻同时存在太多的TCP客户端连接时，由于每个TCP客户端连接都要占用一个唯一的本地端口号(此端口号在系统的本地端口号范围限制中)，如果现有的TCP客户端连接已将所有的本地端口号占满，则此时就无法为新的TCP客户端连接分配一个本地端口号了，因此系统会在这种情况下在connect()调用中返回失败，并将错误提示消息设为“Can’t assign requested address”。有关这些控制逻辑可以查看Linux内核源代码，以linux2.6内核为例，可以查看tcp_ipv4.c文件中如下函数：

static int tcp_v4_hash_connect(struct sock *sk)

请注意上述函数中对变量sysctl_local_port_range的访问控制。变量sysctl_local_port_range的初始化则是在tcp.c文件中的如下函数中设置：

void __init tcp_init(void)

内核编译时默认设置的本地端口号范围可能太小，因此需要修改此本地端口范围限制。

第一步，修改/etc/sysctl.conf文件，在文件中添加如下行：

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000

这表明将系统对本地端口范围限制设置为1024~65000之间。请注意，本地端口范围的最小值必须大于或等于1024；而端口范围的最大值则应小于或等于65535。修改完后保存此文件。

第二步，执行sysctl命令：

$ sysctl -p

如果系统没有错误提示，就表明新的本地端口范围设置成功。如果按上述端口范围进行设置，则理论上单独一个进程最多可以同时建立60000多个TCP客户端连接。

第二种无法建立TCP连接的原因可能是因为Linux网络内核的IP_TABLE防火墙对最大跟踪的TCP连接数有限制。此时程序会表现为在 connect()调用中阻塞，如同死机，如果用tcpdump工具监视网络，也会发现根本没有TCP连接时客户端发SYN包的网络流量。由于 IP_TABLE防火墙在内核中会对每个TCP连接的状态进行跟踪，跟踪信息将会放在位于内核内存中的conntrackdatabase中，这个数据库的大小有限，当系统中存在过多的TCP连接时，数据库容量不足，IP_TABLE无法为新的TCP连接建立跟踪信息，于是表现为在connect()调用中阻塞。此时就必须修改内核对最大跟踪的TCP连接数的限制，方法同修改内核对本地端口号范围的限制是类似的：

第一步，修改/etc/sysctl.conf文件，在文件中添加如下行：

net.ipv4.ip_conntrack_max = 10240

这表明将系统对最大跟踪的TCP连接数限制设置为10240。请注意，此限制值要尽量小，以节省对内核内存的占用。

第二步，执行sysctl命令：

$ sysctl -p

如果系统没有错误提示，就表明系统对新的最大跟踪的TCP连接数限制修改成功。如果按上述参数进行设置，则理论上单独一个进程最多可以同时建立10000多个TCP客户端连接。

3. 使用支持高并发网络I/O的编程技术

在Linux上编写高并发TCP连接应用程序时，必须使用合适的网络I/O技术和I/O事件分派机制。

可用的I/O技术有同步I/O，非阻塞式同步I/O(也称反应式I/O)，以及异步I/O。在高TCP并发的情形下，如果使用同步I/O，这会严重阻塞程序的运转，除非为每个TCP连接的I/O创建一个线程。但是，过多的线程又会因系统对线程的调度造成巨大开销。因此，在高TCP并发的情形下使用同步 I/O是不可取的，这时可以考虑使用非阻塞式同步I/O或异步I/O。非阻塞式同步I/O的技术包括使用select()，poll()，epoll等机制。异步I/O的技术就是使用AIO。

从I/O事件分派机制来看，使用select()是不合适的，因为它所支持的并发连接数有限(通常在1024个以内)。如果考虑性能，poll()也是不合适的，尽管它可以支持的较高的TCP并发数，但是由于其采用“轮询”机制，当并发数较高时，其运行效率相当低，并可能存在I/O事件分派不均，导致部分TCP连接上的I/O出现“饥饿”现象。而如果使用epoll或AIO，则没有上述问题(早期Linux内核的AIO技术实现是通过在内核中为每个 I/O请求创建一个线程来实现的，这种实现机制在高并发TCP连接的情形下使用其实也有严重的性能问题。但在最新的Linux内核中，AIO的实现已经得到改进)。

综上所述，在开发支持高并发TCP连接的Linux应用程序时，应尽量使用epoll或AIO技术来实现并发的TCP连接上的I/O控制，这将为提升程序对高并发TCP连接的支持提供有效的I/O保证。

4. 内核参数sysctl.conf的优化

/etc/sysctl.conf 是用来控制linux网络的配置文件，对于依赖网络的程序（如web服务器和cache服务器）非常重要，RHEL默认提供的最好调整。

推荐配置（把原/etc/sysctl.conf内容清掉，把下面内容复制进去）：

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65536

net.core.rmem_max=16777216

net.core.wmem_max=16777216

net.ipv4.tcp_rmem=4096 87380 16777216

net.ipv4.tcp_wmem=4096 65536 16777216

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 10

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

net.ipv4.tcp_timestamps = 0

net.ipv4.tcp_window_scaling = 0

net.ipv4.tcp_sack = 0

net.core.netdev_max_backlog = 30000

net.ipv4.tcp_no_metrics_save=1

net.core.somaxconn = 262144

net.ipv4.tcp_syncookies = 0

net.ipv4.tcp_max_orphans = 262144

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 262144

net.ipv4.tcp_synack_retries = 2

net.ipv4.tcp_syn_retries = 2

这个配置参考于cache服务器varnish的推荐配置和SunOne 服务器系统优化的推荐配置。varnish调优推荐配置的地址为：http://varnish.projects.linpro.no/wiki/Performance

不过varnish推荐的配置是有问题的，实际运行表明“net.ipv4.tcp_fin_timeout = 3”的配置会导致页面经常打不开；并且当网友使用的是IE6浏览器时，访问网站一段时间后，所有网页都会打不开，重启浏览器后正常。可能是国外的网速快吧，我们国情决定需要调整“net.ipv4.tcp_fin_timeout = 10”，在10s的情况下，一切正常（实际运行结论）。

修改完毕后，执行：

/sbin/sysctl -p /etc/sysctl.conf

/sbin/sysctl -w net.ipv4.route.flush=1

5. 调整文件数

linux系统优化完网络必须调高系统允许打开的文件数才能支持大的并发，默认1024是远远不够的。

执行命令：

echo ulimit -HSn 65536 >> /etc/rc.local

echo ulimit -HSn 65536 >>/root/.bash_profile

ulimit -HSn 65536

参考：