在网络工程领域，NAT（网络地址转换）环境下的 TCP 连接握手失败问题并不罕见，尤其是在涉及大量并发连接的应用场景中。这类问题往往隐藏得很深，表面症状与根本原因之间的联系并不明显，给IT团队带来了极大的挑战。
在本文中，我们将通过一个真实的案例，揭开 NAT 环境中 TCP 连接失败的一个谜团。希望不仅能为 IT 运维岗位上的朋友们提供一些实用的建议，同时也追根溯源，深入了解其中的缘由。
问题背景：频繁的连接失败
某公司的 IT 团队在处理一个访问应用服务高频失败的问题时，发现客户端在尝试与服务器建立 TCP 连接时，频繁遇到连接建立失败的情况，严重影响了系统的稳定性和用户体验。
场景重现：奇怪的SYN报文
为了找到问题的根源，IT 团队对网络数据包进行了详尽的分析。结果显示，客户端发起的一部份 TCP 连接握手请求，不断地重传 SYN 报文，但服务端始终没有响应。
在 TCP/IP 协议中，SYN 报文是用于发起一个新的 TCP 连接的初始请求包。通常情况下，当客户端发送 SYN 报文后，服务器应该回应一个 SYN-ACK 报文，表示已收到连接请求并同意建立连接。
捕获点A的现象
在捕获点A，客户端发送的 SYN 报文多次重传，但未能收到服务端的 SYN-ACK 响应。最终，客户端收到服务端返回的 RST 报文，连接被重置。
图1：捕获点A的网络通信过程
捕获点A的现象提示我们可能存在以下几种情况：
网络路径中有丢包现象，导致 SYN 报文未能到达服务端。
服务端因某些原因忽略了 SYN 请求，例如防火墙规则、连接数量超限等。
捕获点B的现象
在捕获点B，情况类似，客户端的 SYN 报文同样多次重传，依然没有收到服务端的任何响应，最终连接被 RST 报文终止。
图2：捕获点B的网络通信过程
问题位置
首先排除一个小小的噪音，A、B 两点的 TCP 连接均被中间网络设备发出的 RST 终止，这是网络设备在 SYN 报文重试无响应后的主动关闭动作，是 TCP 连接握手无响应问题导致的一个结果，而不是问题的源头，在分析中可忽略。
关键的异常现象是 SYN 报文没有得到任何响应，去除掉 RST 报文这个小噪音，捕获点 B 与捕获点 A 的 TCP SYN 重传行为一致。这可以排除掉SYN 报文丢失在 A、B 之间的网络网络设备上。
再进一步来看，捕获点 B 是紧邻服务器的。因此排除了 SYN 报文丢失在整个网络路径的可能。
至此我们定位到问题的位置：服务器丢弃了这些 TCP 连接握手请求的 SYN 报文。
需要注意的是，并不是所有的 TCP 连接握手请求都没有响应，仍有部分请求成功建立了连接。这种现象使问题变得复杂，表明可能有某些动态条件或配置在起作用。
背后究竟隐藏着什么样的原因呢？我们继续深入分析。
关键发现：tcp_tw_recycle双刃剑
通过分析网络环境，我们发现服务端的配置在这个案例中扮演了关键角色。具体而言，问题的根源在于 NAT 环境下启用了 tcp_tw_recycle 参数。这个参数在 NAT 环境中使用时，可能会因为时间戳（Timestamp）的不一致，导致服务端误认为 SYN 请求无效，从而丢弃这些请求。
图3：TCP握手SYN报文丢弃过程示意图
如上图所示，经过 NAT 后，多个客户端通过同一 IP 地址访问服务器，而各自的时间戳不同，不能保证单调递增。高并发场景中，经过网络设备 NAT，发生 TCP 五元组重用时，服务器将带有“旧”时间戳的 SYN 请求视为过时请求并将其丢弃。
这种现象不仅仅是一个理论上的问题，它在实际网络环境中广泛存在。尤其是在大型企业或数据中心环境中，通常会有大量的终端设备通过 NAT 访问同一服务器，这种时间戳冲突的情况更为常见。一旦 tcp_tw_recycle 启用，连接失败的概率将大幅增加，尤其是在高并发访问的场景中。
tcp_tw_recycle的起源与局限性
Linux 内核中 tcp_tw_recycle 的历史非常有趣，我们来揭示它在现代系统中为何不再被推荐使用。
1. TIME_WAIT 状态的背景
在 TCP 协议中，TIME_WAIT 状态是指一个TCP连接关闭后的一个特定时期。这个状态的目的是确保任何延迟传输的数据包（可能因为网络延迟或路由器队列）有足够的时间抵达，并防止旧连接的数据干扰新连接。为了达到这个目的，TCP 协议要求连接的一方在关闭连接后，保持 TIME_WAIT 状态2倍的最大报文段生存时间（MSL）。RFC 793 规定了 MSL 为2分钟，而 Linux 系统实现默认为 30 秒，那么 2 x MSL 就是 60 秒。因此，如果是 Linux 服务器，我们观察到的 TIME_WAIT 状态通常为 60秒。
在高并发的网络环境中，如大型 Web 服务器、数据库服务器或者负载均衡器，TIME_WAIT状态可能会变得非常多，导致系统的资源（如端口和内存）迅速耗尽，影响新的连接建立。这种情况下，服务器可能无法为新的连接提供足够的资源，导致连接失败或延迟。
关于 TIME_WAIT 状态，在多个 RFC 中有定义，特别是 RFC793【1】，这是TCP的基础规范，以及RFC9293【2】，它更新和整合了之前的TCP规范。
图4：TCP状态机（引用自【5】）
2. tcp_tw_recycle 的引入目的
为了优化上述场景中的性能，Linux 内核引入了 tcp_tw_recycle 参数，最早出现在Linux 2.4内核系列中。这个参数的主要目的是加速处于 TIME_WAIT 状态的套接字的回收，从而减少系统资源的占用，并提高高并发环境下的连接建立速度。
tcp_tw_recycle 通过以下机制工作：
快速回收：启用该参数后，Linux 内核会快速回收处于 TIME_WAIT 状态的连接，从而减少资源占用。
依赖时间戳：该机制依赖 TCP 时间戳（Timestamp）选项来判断是否可以安全地回收一个处于TIME_WAIT 状态的连接。如果新连接的时间戳值大于最后一个已知连接的时间戳值，内核会认为这是一个新的连接，可以回收旧连接的资源，建立新连接。
关于这个 tcp_tw_recycle 的工作机制，追根溯源，在 RFC6191 【3】提出了一种基于 TCP Timestamp 的方法来进行快速的 TIME_WAIT 状态回收，其中第二章节 “Improved Processing of Incoming Connection Requests” 详细论述了在处于 TIME_WAIT 状态的 Socket 在不同场景下，如何处理新的TCP连接请求。
3. tcp_tw_recycle 在实际应用中的利与弊
在一些早期的应用场景中，tcp_tw_recycle 确实帮助缓解了 TIME_WAIT 套接字过多的问题，尤其是在没有涉及 NAT 的内网或专用网络环境中。
然而，随着互联网的发展和NAT的广泛应用，tcp_tw_recycle 逐渐暴露出其局限性和问题。特别是在 NAT 环境下，多个客户端经过 NAT 通过同一个 IP 地址访问服务器，而这些客户端的系统时间可能不同，导致时间戳信息不一致，不能保证单调递增。在这种情况下，tcp_tw_recycle 机制会因为时间戳不符合要求，丢弃一些 TCP 连接握手请求 SYN 报文，导致连接失败。
互联网上有诸多反映该问题的技术博客文章，其中一篇，来自 Vincent Bernat 的 “Coping with the TCP TIME-WAIT state on busy Linux servers” 对这个问题的底层原因做了深入详尽的剖析。【4】也有国内技术爱好者翻译的中文版本“不要启用 net.ipv4.tcp_tw_recycle”。【5】
4. 废弃与移除
由于 tcp_tw_recycle 在实际应用中的问题多于好处，尤其是在涉及 NAT 的广泛应用场景中，Linux内核开发者逐渐意识到该参数的弊端。在 Linux 4.12 内核版本中，tcp_tw_recycle 被完全移除，标志着这个优化参数的终结。在 Linux manual page 中记录了该参数的存续时间为 Linux 2.4 到 4.11，并且简要说明了 NAT 场景下存在的问题。【6】
解决问题：排除隐患，稳健链接
如果你的IT环境中遇到了同样的问题，可以采取以下措施，确保TCP连接的稳定性：
禁用 tcp_tw_recycle 参数
最直接有效的解决方案是在 NAT 环境下禁用 tcp_tw_recycle 参数。这样可以避免因时间戳冲突而导致的 SYN 请求丢弃。
无法禁用 tcp_tw_recycle 参数怎么办
如果在特定场景下无法禁用 tcp_tw_recycle，可以尝试优化其它环节来缓解问题的发生。
调整 NAT 设备的配置：通过增加 NAT 设备分配的NAT地址池和端口范围，减小TCP连接复用的概率，这可以显著减少时间戳冲突的概率。
确保客户端系统时间的同步：通过在所有客户端上启用 NTP，确保它们的系统时间高度同步。这将减少时间戳之间的差异，从而降低时间戳冲突的可能性。
互动讨论：你的经验如何？
读到这里，你可能会联想到自己遇到过的类似问题。那么在你的工作中，有遇到过在 NAT 环境中的 TCP 连接失败问题吗？你是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验和看法，让我们一起探讨如何进一步优化网络环境下的 TCP 连接。
引用：
[1] RFC 793 3.2. Terminology https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc793#section-3.2
[2] RFC 9293 3.3. TCP Terminology Overview https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc9293#name-tcp-terminology-overview
[3] RFC 6191 2. Improved Processing of Incoming Connection Requests https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6191#section-2
[4] Coping with the TCP TIME-WAIT state on busy Linux servers https://vincent.bernat.ch/en/blog/2014-tcp-time-wait-state-linux
[5] 不要启用 net.ipv4.tcp_tw_recycle https://www.cnblogs.com/sunsky303/p/12818009.html
[6] tcp(7) — Linux manual page https://man7.org/linux/man-pages/man7/tcp.7.html
