关于FIN_WAIT1

前些天，一堆人在 TCPCopy 社区里闲扯蛋，有人提了一个问题：FIN_WAIT1 能持续多久？引发了一场讨论，期间我得到斌哥和多位朋友的点化，受益良多。

让我们热热身，通过一张旧图来回忆一下 TCP 关闭连接时的情况：

看图可知，主动关闭的一方发出 FIN，同时进入 FIN_WAIT1 状态，被动关闭的一方响应 ACK，从而使主动关闭的一方迁移至 FIN_WAIT2 状态，接着被动关闭的一方同样会发出 FIN，主动关闭的一方响应 ACK，同时迁移至 TIME_WAIT 状态。

回到开头的问题：FIN_WAIT1 能持续多久？一般情况下，服务器间的 ACK 确认是非常快的，以至于我们凭肉眼往往观察不到 FIN_WAIT1 的存在，不过网上也有很多案例表明在某些情况下 FIN_WAIT1 会持续很长时间，从而诱发问题。

最常见的误解是认为 tcp_fin_timeout 控制 FIN_WAIT1 的过期，从名字上看也很像，但实际上它控制的是 FIN_WAIT2 的过期时间，官方文档是这样说的：

The length of time an orphaned (no longer referenced by any application) connection will remain in the FIN_WAIT_2 state before it is aborted at the local end. While a perfectly valid “receive only” state for an un-orphaned connection, an orphaned connection in FIN_WAIT_2 state could otherwise wait forever for the remote to close its end of the connection.
Cf. tcp_max_orphans
Default: 60 seconds

让我们通过一个实验来说明问题（服务端：10.16.15.107；客户端：10.16.15.109）：

1. 在服务端监听 1234 端口：「nc -l 1234」
2. 在客户端连接服务端：「nc 10.16.15.107 1234」
   此时客户端连接进入 ESTABLISHED 状态
3. 在服务端拦截响应：「iptables -A OUTPUT -d 10.16.15.109 -j DROP」
4. 在客户端开启抓包：「tcpdump -nn -i any port 1234」
5. 在客户端通过「ctrl + c」断开连接
   此时客户端连接进入 FIN_WAIT1 状态

随时可以通过「netstat -ant | grep :1234」来观察状态，最终抓包结果如下：

第一个 FIN 是我们按「ctrl + c」断开连接时触发的，因为我们在服务端通过 iptables 拦截了发送给客户端的响应，所以对应的 ACK 被丢弃，随后执行了若干次重试。

此外，通过观察时间我们还能发现，第一次重试在 200ms 左右；第二次是在 400ms 左右；第三次是在 800ms 左右；以此类推，每次的时间翻倍。

实际上，控制这一行为的关键参数是 tcp_orphan_retries，官方文档是这样说的：

This value influences the timeout of a locally closed TCP connection, when RTO retransmissions remain unacknowledged. See tcp_retries2 for more details.
The default value is 8. If your machine is a loaded WEB server, you should think about lowering this value, such sockets may consume significant resources. Cf. tcp_max_orphans.

如果你用 sysctl 查询 tcp_orphan_retries 是 0，那么实际等同于 8，看代码：

/* Calculate maximal number or retries on an orphaned socket. */
static int tcp_orphan_retries(struct sock *sk, int alive)
{
    int retries = sysctl_tcp_orphan_retries; /* May be zero. */

    /* We know from an ICMP that something is wrong. */
    if (sk->sk_err_soft && !alive)
        retries = 0;

    /* However, if socket sent something recently, select some safe
     * number of retries. 8 corresponds to >100 seconds with
     * minimal RTO of 200msec. */
    if (retries == 0 && alive)
        retries = 8;
    return retries;
}

于是乎我们可以得出结论，如果你的系统负载较重，有很多 FIN_WAIT1，那么可以考虑通过降低 tcp_orphan_retries 来解决问题，具体设置多少视网络条件而定。

问题分析到这里原本可以完美谢幕，但是因为 TCP 有缺陷，导致 FIN_WAIT1 可能被用来发起 DoS 攻击，所以我们就再唠十块钱儿的，看看到底是怎么回事儿：

假设服务端上有一个大文件，攻击者连接服务端发起请求，但是却不接收数据，于是乎就造成一种现象：客户端接收队列满，导致服务端不得不通过「zero window probes」来循环检测客户端是否有可用空间，以至于 tcp_orphan_retries 也没有用，因为服务端活活被憋死了，发不出 FIN 来，从而永远卡在 FIN_WAIT1。演示代码如下：

#!/usr/bin/env python

import socket
import time

host = 'www.domain.com'
port = 80
path = '/a/big/file'

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect((host, port))
sock.send("GET %s HTTP/1.0\r\nHost: %s\r\n\r\n" % (path, host))

time.sleep(1000)

说明：通常文件大小以 100K 为佳，具体取决于 tcp_rmem / tcp_wmem 的大小。

怎么办？病急乱投医，重启服务！可惜没用，因为已经脱离的服务的管辖范围，所以重启服务是没有用的，如果一定要重启，你只能重启服务器！

好在内核已经考虑到了此类问题，它提供了 tcp_max_orphans 参数，用来控制 orphans 的最大值，需要注意的是，和用来控制 TIME_WAIT 的最大值的 tcp_max_tw_buckets 参数一样，除非你遇到了 DoS 攻击，否则最好不要降低它。

花絮：我曾经试图寻找一些工具来杀掉 FIN_WAIT1 连接，如果你要杀掉一个 TCP 连接，那么需要知道相应的 ACK 和 SEQ，然后才可以 RESET 连接。为了获取 ACK 和 SEQ，一些工具采用的是被动机制，它通过监听匹配的数据包来获取需要的数据，代表是 tcpkill；另一些工具采用的是主动机制，它通过伪造请求来获取需要的数据，代表是killcx，如果有兴趣的话不妨试试它们。

最后，再次感谢 TCPCopy 社区！如果你从本文学到些许知识，那么这份荣幸属于 TCPCopy社区，如果你在本文发现谬误之处，那么全因本人笨拙，还望不吝赐教。