解Bug之路-Nginx 502 Bad Gateway

前言

事实证明，读过Linux内核源码确实有很大的好处，尤其在处理问题的时刻。当你看到报错的那一瞬间，就能把现象/原因/以及解决方案一股脑的在脑中闪现。甚至一些边边角角的现象都能很快的反应过来是为何。笔者读过一些Linux TCP协议栈的源码，就在解决下面这个问题的时候有一种非常流畅的感觉。

Bug现场

首先，这个问题其实并不难解决，但是这个问题引发的现象倒是挺有意思。先描述一下现象吧， 笔者要对自研的dubbo协议隧道网关进行压测(这个网关的设计也挺有意思，准备放到后面的博客里面)。先看下压测的拓扑吧:
为了压测笔者gateway的单机性能，两端仅仅各保留一台网关，即gateway1和gateway2。压到一定程度就开始报错，导致压测停止。很自然的就想到，网关扛不住了。

网关的情况

去Gateway2的机器上看了一下，没有任何报错。而Gateway1则有大量的502报错。502是Bad Gateway，Nginx的经典报错，首先想到的就是Gateway2不堪重负被Nginx在Upstream中踢掉。
那么，就先看看Gateway2的负载情况把，查了下监控，发现Gateway2在4核8G的机器上只用了一个核，完全看不出来有瓶颈的样子，难道是IO有问题？看了下小的可怜的网卡流量打消了这个猜想。

Nginx所在机器CPU利用率接近100%

这时候，发现一个有意思的现象,Nginx确用满了CPU!
再次压测，去Nginx所在机器上top了一下，发现Nginx的4个Worker分别占了一个核把CPU吃满-_-!
什么，号称性能强悍的Nginx竟然这么弱，说好的事件驱动\epoll边沿触发\纯C打造的呢？一定是用的姿势不对！

去掉Nginx直接通信毫无压力

既然猜测是Nginx的瓶颈,就把Nginx去掉吧。Gateway1和Gateway2直连，压测TPS里面就飙升了，而且Gateway2的CPU最多也就吃了2个核，毫无压力。

去Nginx上看下日志

由于Nginx机器权限并不在笔者手上，所以一开始没有关注其日志，现在就联系一下对应的运维去看一下吧。在accesslog里面发现了大量的502报错，确实是Nginx的。又看了下错误日志，发现有大量的

Cannot assign requested address

由于笔者读过TCP源码，一瞬间就反应过来，是端口号耗尽了！由于Nginx upstream和后端Backend默认是短连接，所以在大量请求流量进来的时候回产生大量TIME_WAIT的连接。
而这些TIME_WAIT是占据端口号的，而且基本要1分钟左右才能被Kernel回收。

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
32768	61000

也就是说，只要一分钟之内产生28232(61000-32768)个TIME_WAIT的socket就会造成端口号耗尽，也即470.5TPS(28232/60),只是一个很容易达到的压测值。事实上这个限制是Client端的,Server端没有这样的限制，因为Server端口号只有一个8080这样的有名端口号。而在 upstream中Nginx扮演的就是Client,而Gateway2就扮演的是Nginx

为什么Nginx的CPU是100%

而笔者也很快想明白了Nginx为什么吃满了机器的CPU,问题就出来端口号的搜索过程。
让我们看下最耗性能的一段函数:

int __inet_hash_connect(...)
{
		// 注意，这边是static变量
		static u32 hint;
		// hint有助于不从0开始搜索，而是从下一个待分配的端口号搜索
		u32 offset = hint + port_offset;
		.....
		inet_get_local_port_range(&low, &high);
		// 这边remaining就是61000 - 32768
		remaining = (high - low) + 1
		......
		for (i = 1; i <= remaining; i++) {
			port = low + (i + offset) % remaining;
			/* port是否占用check */
			....
			goto ok;
		}
		.......
ok:
		hint += i;
		......
}

看上面那段代码，如果一直没有端口号可用的话，则需要循环remaining次才能宣告端口号耗尽，也就是28232次。而如果按照正常的情况，因为有hint的存在，所以每次搜索从下一个待分配的端口号开始计算，以个位数的搜索就能找到端口号。如下图所示:
所以当端口号耗尽后，Nginx的Worker进程就沉浸在上述for循环中不可自拔，把CPU吃满。

为什么Gateway1调用Nginx没有问题

很简单，因为笔者在Gateway1调用Nginx的时候设置了Keepalived，所以采用的是长连接，就没有这个端口号耗尽的限制。

Nginx 后面有多台机器的话

由于是因为端口号搜索导致CPU 100%,而且但凡有可用端口号，因为hint的原因，搜索次数可能就是1和28232的区别。
因为端口号限制是针对某个特定的远端server:port的。 所以，只要Nginx的Backend有多台机器，甚至同一个机器上的多个不同端口号，只要不超过临界点，Nginx就不会有任何压力。

把端口号范围调大

比较无脑的方案当然是把端口号范围调大，这样就能抗更多的TIME_WAIT。同时将tcp_max_tw_bucket调小，tcp_max_tw_bucket是kernel中最多存在的TIME_WAIT数量，只要port范围 - tcp_max_tw_bucket大于一定的值，那么就始终有port端口可用，这样就可以避免再次到调大临界值得时候继续击穿临界点。

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
22768	61000
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_tw_buckets
20000

开启tcp_tw_reuse

这个问题Linux其实早就有了解决方案，那就是tcp_tw_reuse这个参数。

echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_reuse

事实上TIME_WAIT过多的原因是其回收时间竟然需要1min，这个1min其实是TCP协议中规定的2MSL时间，而Linux中就固定为1min。

#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT
				  * state, about 60 seconds	*/

2MSL的原因就是排除网络上还残留的包对新的同样的五元组的Socket产生影响，也就是说在2MSL(1min)之内重用这个五元组会有风险。为了解决这个问题，Linux就采取了一些列措施防止这样的情况，使得在大部分情况下1s之内的TIME_WAIT就可以重用。下面这段代码，就是检测此TIME_WAIT是否重用。

__inet_hash_connect
	|->__inet_check_established
static int __inet_check_established(......)
{
	......	
	/* Check TIME-WAIT sockets first. */
	sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->twchain) {
		tw = inet_twsk(sk2);
		// 如果在time_wait中找到一个match的port,就判断是否可重用
		if (INET_TW_MATCH(sk2, net, hash, acookie,
					saddr, daddr, ports, dif)) {
			if (twsk_unique(sk, sk2, twp))
				goto unique;
			else
				goto not_unique;
		}
	}
	......
}

而其中的核心函数就是twsk_unique，它的判断逻辑如下:

int tcp_twsk_unique(......)
{
	......
	if (tcptw->tw_ts_recent_stamp &&
	    (twp == NULL || (sysctl_tcp_tw_reuse &&
			     get_seconds() - tcptw->tw_ts_recent_stamp > 1))) {
       // 对write_seq设置为snd_nxt+65536+2
       // 这样能够确保在数据传输速率<=80Mbit/s的情况下不会被回绕      
		tp->write_seq = tcptw->tw_snd_nxt + 65535 + 2
		......
		return 1;
	}
	return 0;	
}

上面这段代码逻辑如下所示:
在开启了tcp_timestamp以及tcp_tw_reuse的情况下,在Connect搜索port时只要比之前用这个port的TIME_WAIT状态的Socket记录的最近时间戳>1s,就可以重用此port,即将之前的1分钟缩短到1s。同时为了防止潜在的序列号冲突，直接将write_seq加上在65537,这样，在单Socket传输速率小于80Mbit/s的情况下，不会造成序列号重叠(冲突)。
同时这个tw_ts_recent_stamp设置的时机如下图所示:
所以如果Socket进入TIME_WAIT状态后，如果一直有对应的包发过来，那么会影响此TIME_WAIT对应的port是否可用的时间。 开启了这个参数之后,由于从1min缩短到1s,那么Nginx单台对单Upstream可承受的TPS就从原来的470.5TPS(28232/60)一跃提升为28232TPS，增长了60倍。
如果还嫌性能不够，可以配上上面的端口号范围调大以及tcp_max_tw_bucket调小继续提升tps,不过tcp_max_tw_bucket调小可能会有序列号重叠的风险，毕竟Socket不经过2MSL阶段就被重用了。

不要开启tcp_tw_recycle

开启tcp_tw_recyle这个参数会在NAT环境下造成很大的影响，建议不开启，具体见笔者的另一篇博客:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/3119992

Nginx upstream改成长连接

事实上，上面的一系列问题都是由于Nginx对Backend是短连接导致。 Nginx从 1.1.4 开始，实现了对后端机器的长连接支持功能。在Upstream中这样配置可以开启长连接的功能:

upstream backend {
    server 127.0.0.1:8080;
    keepalive 32; # 后端长连接数量
    keepalive_timeout 30s; # 设置后端连接的最大idle时间为30s
}

这样前端和后端都是长连接，大家又可以愉快的玩耍了。

由此产生的风险点

由于对单个远端ip:port耗尽会导致CPU吃满这种现象。所以在Nginx在配置Upstream时候需要格外小心。假设一种情况，PE扩容了一台Nginx,为防止有问题，就先配一台Backend看看情况，这时候如果量比较大的话击穿临界点就会造成大量报错(而应用本身确毫无压力，毕竟临界值是470.5TPS(28232/60))，甚至在同Nginx上的非此域名的请求也会因为CPU被耗尽而得不到响应。多配几台Backend/开启tcp_tw_reuse或许是不错的选择。

总结

应用再强大也还是承载在内核之上，始终逃不出Linux内核的樊笼。所以对于Linux内核本身参数的调优还是非常有意义的。如果读过一些内核源码，无疑对我们排查线上问题有着很大的助力，同时也能指导我们避过一些坑！

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