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導讀：雲端計算時代的服務端網路環境越來越複雜。不但要考慮實際的物理網路，也要考慮到SDN/安全等技術的影響。理論上說，網路對應用開發無感知，然而有時候也並非如此。本文作者記錄了一種阿裡雲上Redis/MySQL的靈異現象，並且記錄了問題原因，給出瞭解決方案。
引子：Redis client library 連線 Redis server 超時
差不多一兩年前，在阿裡雲上遇到一個奇怪的 Redis 連線問題，每隔十來分鐘，服務裡的 Redis client 庫就報告連線 Redis server 超時，當時花了很大功夫，發現是阿裡雲會斷開長時間閑置的 TCP 連線，不給兩頭髮 FIN or RST 包，而當時我們的 Redis server 沒有開啟 tcp_keepalive 選項，於是 Redis server 側那個連線還存在於 Linux conntrack table 裡，而 Redis client 側由於連線池重用連線進行 get、set 發現連線壞掉就關閉了，所以 client 側的對應 local port 回收了，當接下來 Redis 重用這個 local port 向 Redis server 發起連線時，由於 Redis server 側的 conntrack table 裡 四元組對應狀態是 ESTABLISHED，所以自然客戶端發來的 TCP SYN packet 被丟棄，Redis client 看到的現象就是連線超時。
解決這個問題很簡單，開啟 Redis server 的 tcp_keepalive 選項就行。 然而當時沒想到，這個問題深層次的原因影響很重大，後果很嚴重！
孽債：”SELECT 1″ 觸發的 jdbc4.CommunicationsException
最近生產環境的 Java 服務幾乎每分鐘都報告類似下麵這種錯誤：
由於有之前調查 Redis 連線被阿裡雲異常中斷的先例，所以懷疑是類似問題，花了大量時間比對客戶端和服務端的 conntrack table，然而並沒有引子中描述的問題，然後又去比對多個 MySQL 伺服器的 sysctl 設定，研究 iptables TRACE，研究 tcpdump 抓到的報文，試驗 tw_reuse, tw_recyle 等引數，調整 Aliyun 負載均衡器後面掛載的 MySQL 伺服器個數，都沒效果， 反而意外發現一個**新問題**，在用如下命令不經過阿裡雲 SLB 直接連線資料庫時，有的資料庫可以在 600s 時傳回，有的則客戶端一直掛著，半個多小時了都退不出來，按 ctrl-c 中斷都不行。
當時檢查了一個正常的資料庫和一個不正常的資料庫，發現兩者的 wait_timeout 和 interactive_timeout 都是 600s，思索良苦，沒明白怎麼回事，然後偶然發現另外一個資料庫的 wait_timeout=60s，卻一下子明白了原始的 “select 1” 問題怎麼回事。
我們的服務使用了 Hikari JDBC 連線池[1]，它的 idleTimeout 預設是 600s, maxLifetime 預設是 1800s，前者表示 idle JDBC connection 數量超過 minimumIdle 數目並且閑置時間超過 idleTimeout 則關閉此 idle connection，後者表示連線池裡的 connection 其生存時間不能超過 maxLifetime，到點了會被關掉。
在發現 “select 1” 問題後，我們以為是這倆引數比資料庫的 wait_timeout=600s 大的緣故，所以把這兩個引數縮小了，idleTimeout=570s, maxLifetime=585s，並且設定了 minimumIdle=5。但這兩個時間設定依然大於其中一個資料庫失誤設定的 wait_timeout=60s，所以閑置連線在 60s 後被 MySQL server 主動關閉，而 JDBC 並沒有什麼事件觸發回呼機制去關閉 JDBC connection，時間上也不夠 Hikari 觸發 idleTimeout 和 maxLifetime 清理邏輯，所以 Hikari 拿著這個“已經關閉”的連線，發了 “select 1” SQL 給伺服器檢查連線有效性，於是觸發了上面的異常。
解決辦法很簡單，把那個錯誤配置的資料庫裡 wait_timeout 從 60s 修正成 600s 就行了。 下麵繼續講述 “SELECT sleep(1000)” 會掛住退不出來的問題。
緣起：阿裡雲安全組與 TCP KeepAlive
最近看了一點佛教常識，對”諸法由因緣而起“的緣起論很是感慨，在調查 “SELECT sleep(1000)” 問題中，真實感受到了“由因緣而起” 的意思
首先解釋下，為什麼有的資料庫伺服器對 “SELECT sleep(1000)” 可以傳回，有的卻掛著退不出來。 其實 wait_timeout 和 interactive_timeout 兩個引數只對 “閑置” 的資料庫連線，也即沒有 SQL 正在執行的連線生效，對於 “SELECT sleep(1000)”，這是有一個正在執行的 SQL，其最大執行時間受 MySQL Server 的 max_execution_time 限制，這個引數在我司一般設定為 600s，這就是 “正常的資料庫” 在 600s 時 “SELECT sleep(1000)” 中斷執行而退出了。
但不走運的是（可以說又是個失誤配置 ），我們有的資料庫 max_execution_time 是 6000s，所以 “SELECT sleep(1000)” 在 MySQL server 服務端會在 1000s 時正常執行結束——但問題是，透過二分查詢以及 tcpdump、iptables TRACE，發現阿裡雲會”靜默“丟棄 >=910s idle TCP connection，不給客戶端、服務端傳送 FIN or RST 以強行斷掉連線，於是 MySQL server 在 1000s 結束時發給客戶端的 ACK+PSH TCP packet 到達不了客戶端，然後再過 wait_timeout=600s，MySQL server 就斷開了這個閑置連線——可憐的是，mysql client 這個命令列程式還一無所知，它很執著的等待 MySQL server 傳回，Linux 內核的 conntrack table 顯示這個連線一直是 ESTABLISHED，哪怕 MySQL server 端已經關閉對應的連線了，只是這個關閉動作的 FIN TCP packet 到不了客戶端！
下麵是 iptables TRACE 日誌對這個問題的實錘證明。
mysql 命令列所在機器的 iptables TRACE 日誌表明，mysql client 在 23:58:25 連線上了 mysql server，開始執行 SELECT sleep(1000)，然後一直收不到伺服器訊息，最後在 00:41:20 的時候我手動 kill 了 mysql 客戶端命令列行程，mysql 客戶端給 mysql server 發 FIN 包但收不到響應（此時 mysql server 端早關閉連線了）。
MySQL server 在 00:15:05 時執行 SELECT sleep(1000) 結束，給 mysql 客戶端回送結果，但 mysql 客戶端無響應（被阿裡雲丟包了，mysql 客戶端壓根收不到），在 00:25:05 時，由於 wait_timeout=600s，所以 MySQL server 給 mysql 客戶端發 FIN 包以斷開連線，自然，mysql 客戶端收不到，所以也沒有回應，結局是 MySQL server 一側的 Linux 核心反正自行關閉 TCP 連線了，mysql client 一側的 Linux 核心還在傻乎乎的在 conntrack table 維持著 ESTABLISHED 狀態的 TCP 連線，mysql client 命令列還在傻乎乎的 recv() 等著服務端傳回或者關閉連結。
Ok，現在知道是阿裡雲對 >= 910s 沒有發生 TCP packet 傳輸的虛擬機器之間直連閑置 TCP 連線會“靜默”丟包，那麼是任意虛擬機器之間嗎？是任意埠嗎？要求伺服器掛到負載均衡器後面嗎？要求對應埠的併發連線到一定數目嗎？
在阿裡雲提交工單詢問後，沒得到什麼有價值資訊，在經過艱苦卓絕的試驗後——每一次試驗要等近二十分鐘啊——終於功夫不負有心人，我發現一個穩定復現問題的規律了：
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兩臺虛擬機器分別處於不同安全組，沒有共同安全組；
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服務端的安全組開放埠 P 允許客戶端的安全組連線，客戶端不開放埠給服務端（按照一般有狀態防火牆的配置規則，都是隻開服務端埠，不用開客戶端埠）；
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客戶端和服務端連線上後，閑置 >= 910s，不傳輸任何資料，也不傳輸有 keep alive 用途的 ack 包；
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然後服務端在此長連線上發給客戶端的 TCP 包會在網路上丟棄，到不了客戶端；
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但如果客戶端此時給服務端發點資料，那麼會重新“啟用”這條長連結，但此時還是單工狀態，客戶端能給服務端發包，服務端的包還到不了客戶端（大概是在服務端 OS 核心裡重試中）；
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啟用後，服務端再給客戶端發資料時，之前傳送不出去的資料（如果還在核心裡的 TCP/IP 協議棧重試中），加上新發的資料，會一起到達客戶端，此後這條長連線進入正常的雙工工作狀態；
下圖是用 nc 試驗的結果。
在跟網友討論後，認識到這應該是阿裡雲安全組基於“集中式防火牆”實現導致的，因為集中式防火牆處於網路中心樞紐，它要應付海量連線，因此其記憶體裡的 conntrack table 需要比較短的 idle timeout（目前是 910s），以把長時間沒活躍的 conntrack record 清理掉節約記憶體，所以上面問題的根源就清晰了：
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client 連線 server，安全組（其實是防火牆）發現規則允許，於是加入一個記錄到 conntrack table；
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client 和 server 到了 910s 還沒資料往來，所以安全組把 conntrack 裡那條記錄去掉了；
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server 在 910s 之後給 client 發資料，資料包到了安全組那裡，它一看 conntrack table 裡沒記錄，而 client 側安全組又不允許這個埠的包透過，所以丟包了，於是 server -> client 不通；
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client 在同一個長連線上給 server 發點資料，安全組一看規則允許，於是加入 conntrack table 裡；
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server 重試的資料包，或者新資料包，透過安全組時，由於已經有 conntrack record 了，所以放行，於是能到達客戶端了。
原因知道了，怎麼繞過這個問題呢？阿裡雲給了我兩個無法接受的 workaround：
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把 server、client 放進同一個安全組；
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修改 client 所在安全組，開放所有埠給 server 所在安全組；
再琢磨下，透過 netstat -o 發現我們的 Java 服務使用的 Jedis 庫和 mysql JDBC 庫都對 socket 檔案控制代碼開啟了 SO_KEEPALIVE 選項[2]：
而 MySQL server 也對其開啟的 socket 檔案控制代碼開啟了 SO_KEEPALIVE 選項，所以我只用修改下服務端和客戶端至少其中一側的對應 sysctl 選項即可，下麵是我司服務端的預設配置，表示 TCP 連線閑置 1800s 後，每隔 30s 給對方發一個 ACK 包，最多發 3 次，如果在此期間對方回覆了，則計時器重置，再等 1800s 閑置條件，如果發了 3 次後對方沒反應，那麼會給對端發 RST 包同時關閉本地的 socket 檔案控制代碼，也即關閉這條長連線。
由於阿裡雲跨安全組的 910s idle timeout 限制，所以需要把 net.ipv4.tcp_keepalive_time 設定成小於 910s，比如 300s。
預設的 tcp_keepalive_time 特別大，這也解釋了為什麼當初 Redis client 設定了 SO_KEEPALIVE 選項後還是被阿裡雲靜默斷開。
如果某些網路庫封裝之後沒有提供 setsockopt() 呼叫的機會，那麼需要用 LD_PRELOAD 之類的黑科技強行設定了，只有開啟了 socket 檔案控制代碼的 SO_KEEPALIVE 選項，上面三個 sysctl 才對這個 socket 檔案控制代碼生效，當然，程式碼裡可以用 setsockopt() 函式進一步設定 keep_alive_intvl 和 keepalive_probes，不用 Linux 內核的全域性預設設定。
最後，除了 Java 家對 SO_KEEPALIVE 處理的很好，利用 netstat -o 檢查得知，對門的 NodeJS 家，其著名 Redis client library 開了 SO_KEEPALIVE 但其著名 mysql client library 並沒有開，而 Golang 家則嚴謹多了，兩個庫都開了 SO_KEEPALIVE。 為什麼引子裡說這個問題很嚴重呢？因為但凡服務端處理的慢點，比如 OLAP 場景，不經過阿裡雲 SLB 直連服務端在 910s 之內沒傳回資料的話，就有可能沒機會傳回資料給客戶端了啊，這個問題查死人有沒有！ 你可能問我為啥不透過阿裡雲 SLB 中轉，SLB 不會靜默丟包啊——但它的 idle timeout 上限是 900s 啊！！！
頭圖 Photo credit: “No Bugs” Hare
文中連結：
[1] https://github.com/brettwooldridge/HikariCP
[2] http://www.tldp.org/HOWTO/TCP-Keepalive-HOWTO/usingkeepalive.html
轉載自：高可用架構
