socket跟TCP/IP 的关系,单台服务器上的并发TCP连接数问题

常识一：文件句柄限制

在Linux下编写网络服务器程序的朋友肯定都知道每一个tcp连接都要占一个文件描述符，一旦这个文件描述符使用完了，新的连接到来返回给我们的错误是“Socket/File:Can'topen so many files”。

这时你需要明白操作系统对可以打开的最大文件数的限制。

进程限制
- 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 -n1000000，但是这种临时修改只对当前登录用户目前的使用环境有效，系统重启或用户退出后就会失效。
- 永久修改：编辑/etc/security/limits.conf 文件，修改后内容为
  
  * soft nofile 1000000
  
  * hard nofile 1000000
全局限制
- 执行 cat /proc/sys/fs/file-nr 输出11968 0 1618287，分别为：1.已经分配的文件句柄数，2.已经分配但没有使用的文件句柄数，3.最大文件句柄数。但在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了。
- 我们可以把这个数值改大些，用 root 权限修改 /etc/sysctl.conf 文件:
  
  fs.file-max = 1000000
  
  net.ipv4.ip_conntrack_max = 1000000
  
  net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max = 1000000

常识二：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连接都要占一个端口号，所以我们最多可以有60000多个并发连接。我想有这种错误思路朋友不在少数吧？（其中我过去就一直这么认为）

我们来分析一下吧

如何标识一个TCP连接：系统用一个4四元组来唯一标识一个TCP连接：{local ip, local port,remoteip,remoteport}。好吧，我们拿出《UNIX网络编程：卷一》第四章中对accept的讲解来看看概念性的东西，第二个参数cliaddr代表了客户端的ip地址和端口号。而我们作为服务端实际只使用了bind时这一个端口，说明端口号65535并不是并发量的限制。
server最大tcp连接数：server通常固定在某个本地端口上监听，等待client的连接请求。不考虑地址重用（unix的SO_REUSEADDR选项）的情况下，即使server端有多个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remoteip（也就是client ip）和remoteport（客户端port）是可变的，因此最大tcp连接为客户端ip数×客户端port数，对IPV4，不考虑ip地址分类等因素，最大tcp连接数约为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。

要写网络程序就必须用Socket，这是程序员都知道的。而且，面试的时候，我们也会问对方会不会Socket编程？一般来说，很多人都会说，Socket编程基本就是listen，accept以及send，write等几个基本的操作。是的，就跟常见的文件操作一样，只要写过就一定知道。
对于网络编程，我们也言必称TCP/IP，似乎其它网络协议已经不存在了。对于TCP/IP，我们还知道TCP和UDP，前者可以保证数据的正确和可靠性，后者则允许数据丢失。最后，我们还知道，在建立连接前，必须知道对方的IP地址和端口号。除此，普通的程序员就不会知道太多了，很多时候这些知识已经够用了。最多，写服务程序的时候，会使用多线程来处理并发访问。
我们还知道如下几个事实：
1。一个指定的端口号不能被多个程序共用。比如，如果IIS占用了80端口，那么Apache就不能也用80端口了。
2。很多防火墙只允许特定目标端口的数据包通过。
3。服务程序在listen某个端口并accept某个连接请求后，会生成一个新的socket来对该请求进行处理。
于是，一个困惑了我很久的问题就产生了。如果一个socket创建后并与80端口绑定后，是否就意味着该socket占用了80端口呢？如果是这样的，那么当其accept一个请求后，生成的新的socket到底使用的是什么端口呢（我一直以为系统会默认给其分配一个空闲的端口号）？如果是一个空闲的端口，那一定不是80端口了，于是以后的TCP数据包的目标端口就不是80了--防火墙一定会组织其通过的！实际上，我们可以看到，防火墙并没有阻止这样的连接，而且这是最常见的连接请求和处理方式。我的不解就是，为什么防火墙没有阻止这样的连接？它是如何判定那条连接是因为connet80端口而生成的？是不是TCP数据包里有什么特别的标志？或者防火墙记住了什么东西？
后来，我又仔细研读了TCP/IP的协议栈的原理，对很多概念有了更深刻的认识。比如，在TCP和UDP同属于传输层，共同架设在IP层（网络层）之上。而IP层主要负责的是在节点之间（End

to End）的数据包传送，这里的节点是一台网络设备，比如计算机。因为IP层只负责把数据送到节点，而不能区分上面的不同应用，所以TCP和UDP协议在其基础上加入了端口的信息，端口于是标识的是一个节点上的一个应用。除了增加端口信息，UPD协议基本就没有对IP层的数据进行任何的处理了。而TCP协议还加入了更加复杂的传输控制，比如滑动的数据发送窗口（Slice Window），以及接收确认和重发机制，以达到数据的可靠传送。不管应用层看到的是怎样一个稳定的TCP数据流，下面传送的都是一个个的IP数据包，需要由TCP协议来进行数据重组。
所以，我有理由怀疑，防火墙并没有足够的信息判断TCP数据包的更多信息，除了IP地址和端口号。而且，我们也看到，所谓的端口，是为了区分不同的应用的，以在不同的IP包来到的时候能够正确转发。
TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。就像操作系统会提供标准的编程接口，比如Win32编程接口一样，TCP/IP也必须对外提供编程接口，这就是Socket编程接口--原来是这么回事啊！
在Socket编程接口里，设计者提出了一个很重要的概念，那就是socket。这个socket跟文件句柄很相似，实际上在BSD系统里就是跟文件句柄一样存放在一样的进程句柄表里。这个socket其实是一个序号，表示其在句柄表中的位置。这一点，我们已经见过很多了，比如文件句柄，窗口句柄等等。这些句柄，其实是代表了系统中的某些特定的对象，用于在各种函数中作为参数传入，以对特定的对象进行操作--这其实是C语言的问题，在C++语言里，这个句柄其实就是this指针，实际就是对象指针啦。
现在我们知道，socket跟TCP/IP并没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。所以，socket的出现只是可以更方便的使用TCP/IP协议栈而已，其对TCP/IP进行了抽象，形成了几个最基本的函数接口。比如create，listen，accept，connect，read和write等等。
现在我们明白，如果一个程序创建了一个socket，并让其监听80端口，其实是向TCP/IP协议栈声明了其对80端口的占有。以后，所有目标是80端口的TCP数据包都会转发给该程序（这里的程序，因为使用的是Socket编程接口，所以首先由Socket层来处理）。所谓accept函数，其实抽象的是TCP的连接建立过程。accept函数返回的新socket其实指代的是本次创建的连接，而一个连接是包括两部分信息的，一个是源IP和源端口，另一个是宿IP和宿端口。所以，accept可以产生多个不同的socket，而这些socket里包含的宿IP和宿端口是不变的，变化的只是源IP和源端口。这样的话，这些socket宿端口就可以都是80，而Socket层还是能根据源/宿对来准确地分辨出IP包和socket的归属关系，从而完成对TCP/IP协议的操作封装！而同时，放火墙的对IP包的处理规则也是清晰明了，不存在前面设想的种种复杂的情形。
明白socket只是对TCP/IP协议栈操作的抽象，而不是简单的映射关系，这很重要.

关于TCP服务器最大并发连接数有一种误解就是“因为端口号上限为65535,所以TCP服务器理论上的可承载的最大并发连接数也是65535”。

先说结论：对于TCP服务端进程来说，他可以同时连接的客户端数量并不受限于可用端口号。并发连接数受限于linux可打开文件数，这个数是可以配置的，可以非常大，所以实际上受限于系统性能。

从理论上说，端口号的作用是在网络连接中标识应用层的进程，服务端一般使用众所周知的端口号进行监听，客户端连接时系统自动分配端口号。一个服务端进程服务于n个客户远程进程，只需要能通过ip地址+端口号的组合把他们区分开即可，没有必要占用本机的其他端口号，客户端连接数增加并不会占用服务器端口号，因此端口号并不能限制并发连接数。当然一台机器上端口号数量的上限确实是65536个，因为tcp首部中使用16bit去存储端口号。所以如果说65536影响了连接数，只有一种可能，就是同一台客户端机子上开n个进程去连同一个服务端进程，因为客户端ip是同一个，为了区分出这些连接，只能使用客户端连接的端口号，那么服务端和一个客户端主机之间的tcp连接数理论上线确实是65536。但是，服务端可以连接n多客户端机子呢。
实际上，确实有个限制端口号的配置，就是MaxUserPort，这实际上是一台主机向外连接使用端口数的限制，这个数也可以配置的，可能默认值才5000，实际上对于正常的服务器主机是够用的，因为你是等别人连接进来的，不是要去连接很多不同的其他主机的。当然你的服务器上可能跑了一些转发的服务，这样你就需要对外连接了，如果被限制在这个配置这儿了确实需要改。但是这个MaxUserPort确实和服务器可以承载的来自客户端的并发连接数没有关系。

伴随这个误解的还有另外一个误解，就是accept之后产生的已连接套接字占用了新的端口。这个绝对是错误的，linux内核不会这么写的，因为完全没必要嘛。客户端连接上来之后产生的这个socket fd就是用来区分客户端的，里面会填上客户端的ip和端口作为发包用，来自客户端的包也会使用这个fd去读取。可以试试netstat -ano，然后起一个服务器看下，客户端连上来这后产生的套接字的服务端端口还是监听的端口。

高并发网络连接数因端口数量受限问题

遇到的问题：端口数量受限

一般来说，单独对外提供请求的服务不用考虑端口数量问题，监听某一个端口即可。但是向提供代理服务器，就不得不考虑端口数量受限问题了。当前的1M并发连接测试，也需要在客户端突破6万可用端口的限制。

单机端口上限为65536

端口为16进制，那么2的16次方值为65536，在linux系统里面，1024以下端口都是超级管理员用户（如root）才可以使用，普通用户只能使用大于1024的端口值。
系统提供了默认的端口范围：cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range 1024 65535

大概也就是共65535-1024=64511个端口可以使用，单个IP对外只能发送64511个TCP请求。
以管理员身份，把端口的范围区间增到最大：echo "1024 65535"> /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

现在有64511个端口可用.
以上做法只是临时，系统下次重启，会还原。更为稳妥的做法是修改/etc/sysctl.conf文件，增加一行内容

net.ipv4.ip_local_port_range= 1024 65535 保存，然后使之生效：sysctl -p

现在可以使用的端口达到64510个（假设系统所有运行的服务器是没有占用大于1024的端口的，较为纯净的centos系统可以做到），要想达到50万请求，还得再想办法。

增加IP地址

一般假设本机网卡名称为 eth0，那么手动再添加几个虚拟的IP：

ifconfig eth0:1 192.168.190.151
ifconfig eth0:2 192.168.190.152 ......

或者偷懒一些：for i in `seq 1 9`; do ifconfig eth0:$i 192.168.190.15$i up ; done

这些虚拟的IP地址，一旦重启，或者 service network restart 就会丢失。

为了模拟较为真实环境，在测试端，手动再次添加9个vmware虚拟机网卡，每一个网卡固定一个IP地址，这样省去每次重启都要重新设置的麻烦

192.168.190.134
192.168.190.143
192.168.190.144
192.168.190.145
192.168.190.146
192.168.190.147
192.168.190.148
192.168.190.149
192.168.190.150
192.168.190.151

在server服务器端，手动添加桥接网卡和NAT方式网卡

192.168.190.230

192.168.190.240

10.95.20.250

要求测试端和服务器端彼此双方都是可以ping通。

网络四元组/网络五元组

四元组是指的是 {源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口}

五元组指的是（多了协议） {源IP地址，目的IP地址，协议号，源端口，目的端口}

在《UNIX网络编程卷1：套接字联网API（第3版）》一书中，是这样解释：

一个TCP连接的套接字对(socket pari)是一个定义该连接的两个端点的四元组，即本地IP地址、本地TCP端口号、外地IP地址、外地TCP端口号。套接字对唯一标识一个网络上的每个TCP连接。
......
标识每个端点的两个值（IP地址和端口号）通常称为一个套接字。

以下以四元组为准。在测试端四元组可以这样认为：

{本机IP地址，本机端口，目的IP地址，目的端口}

请求的IP地址和目的端口基本上是固定的，不会变化，那么只能从本机IP地址和本机端口上考虑，端口的范围一旦指定了，那么增加IP地址，可以增加对外发出的请求数量。假设系统可以使用的端口范围已经如上所设，那么可以使用的大致端口为64000个，系统添加了10个IP地址，那么可以对外发出的数量为 64000 * 10 = 640000，数量很可观。

只有{源IP地址，源端口}确定对外TCP请求数量

经测试，四元组里面，只有{源IP地址，源端口}才能够确定对外发出请求的数量，跟{目的IP地址，目的端口}无关。