GNU Linux高并发性能优化方案
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* Author : Samson
* Date : 07/14/2015
* Test platform:
* gcc (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2
* GNU bash, 4.3.11(1)-release (x86_64-pc-linux-gnu)
* Nginx version:
* Nginx 1.6.2
* Nginx 1.8.0
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GNU Linux高并发性能优化方案
在GNU Linux系统中，影响连接个数的因素主是由于单个进程能够打开的最大文件数、端口数量决定的；而一个基于tcp的服务器的并发，除了上文说过的两个因素外，还有因为主要的tcp连接的很多属性，而问题最大的则是连接断开后的连接会在TIME_WAIT状态一直存在60秒，这就造成了在大量高并发的情况下当连接为此TIME_WAIT状态时没有可用连接。
1、修改端口号范围：
默认范围：
cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
32768 61000
众所周知，端口号的范围为0～65535，知名端口号介于1～255之间，256～1023之间的端口号通常都是由系统占用，所以我们需要更多可以使用的端口号的话，那么就需要修改系统中对端口使用范围变量;
修改方法：
1）、echo “1024 65535” > /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
2）、在/etc/sysctl.conf中进行如下的设置：
net.ipv4.ip_local_port_range=1024 65535
然后执行: sysctl -p 对这些设置进行生效；
3）、直接使用命令进行系统变量的优化
sysctl -w net.ipv4.ip_local_port_range=1024 65535
若端口不够用的时候报错信息
若没有空闲的端口可以使用时，将会报错，如：
connect() to ip:80 failed (99: Cannot assign requested address)
注意：
修改了端口的范围后，若是有多个服务在一台设备上时，若是先被其它服务先行启动将另外的服务的“众所周知”的端口给占用了，那么这个问题就比较不太好处理，在这种情况下，对于需要监听的服务进行先行启动，将服务要使用的“众所周知”的端口先行占用，就不会发生比较麻烦的情况了。
2、修改系统所有进程能够打开的文件数：
cat /proc/sys/fs/file-max
203466
若要修改的话：
echo 403466 > /proc/sys/fs/file-max
3、对于处理TIME_WAIT的问题，通过设置以下两项可以极大地提高并发
在进行了通信完毕后，完成通信的连接差不多在秒级间就进行了回收，经测试，再使用netstat -ntp，都不会再看到刚才使用的连接，但是在官方文档中说明了（Default value is 0. It should not be changed without advice/request of technical experts.）使用这两种方式需要非常谨慎；如下(修改方法请参看上面的修改方式)：
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
//表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
//表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
由于以上两项在官方文档中有这样的描述”It should not be changed without advice/request of technical experts.“，也即是说，这两项在某些情况下会产生负作用或影响；
可能出现的影响：
net.ipv4.tcp_tw_recycle是与net.ipv4.tcp_timestamps是密切相关的，而net.ipv4.tcp_timestamps默认是开启的，当tcp_tw_recycle和tcp_timestamps同时打开时会激活TCP的一种隐藏属性：缓存连接的时间戳。60秒内，同一源IP的后续请求的时间戳小于缓存中的时间戳，内核就会丢弃该请求。
什么样的场景会使时间戳会小于缓存中的时间戳呢？
类似的故障场景：
多个客户端通过一个NAT访问一台服务器，因为NAT只改IP地址信息，但不会改变timestamp（TCP的时间戳不是系统时间，而是系统启动的时间uptime，所以两台机器的的TCP时间戳一致的可能性很小），那么就会出现请求被丢弃的情况，所以很容易造成连接失败的情况。
服务器上开启了tcp_tw_recycle用于TIME_WAIT的快速回收故障现象和分析步骤：
1) 通过NAT出口的多个客户端经常请求Web服务器无响应；
2) 在服务器抓包，发现服务端可以收到客户端的SYN请求，但是没有回应SYN,ACK，也就是说内核直接将包丢弃了。
解决方法：
1) 关闭服务其端的tcp_timestamps，故障可以解决，但是这么做存在安全和性能隐患，强烈建议不关闭此变量；
2) 关闭tcp_tw_recycle，故障也可以解决。推荐NAT环境下的机器不要开启该选项；
3）调整网络拓扑避免NAT的这种类似的情况；
4）客户端使用同一个NTP服务进行时间同步，使时间同步避免timestamp差异；
其它优化参数
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
//表示如果套接字由本端要求关闭，这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200
//表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为20分钟。
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000
//表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量，如果超过这个数字，
//TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息。默认为180000，改为5000。
//对于Apache、Nginx等服务器，上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量，
//此值和/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog是一样的，也是对listen()函数中的backlog参数的限制，按照文档中的说明，应该最好是设置成和/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog一样的值，此值的默认值是128：
cat /proc/sys/net/core/somaxconn
128
net.core.somaxconn = 40000
//指定未完成连接队列的最大长度，默认为1024个，是对socket的listen()函数中的backlog数量的限制，若服务器过载可以增大此值；
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
1024
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 40000
4、调整每个进程最大打开文件描述符限制
调整文件描述符限制:
$ ulimit -n
1024
修改此值，ulimit -n 4096
$vi /etc/security/limits.conf
//Setting Shell Limits for File Descriptors
*soft nofile 8192
*hard nofile 8192
这二者的区别，在/etc/security/limits.conf配置文件中配置好后，进行重启后再次使用ulimit -n将得到的值是8192.
5、通过重新编译内核代码减少TCP连接的TIME-WAIT时间
在内核代码中的include/net/tcp.h文件中，TIME-WAIT的定义如下：
//#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT
* state, about 60 seconds */
可以通过修改TCP_TIMEWAIT_LEN的值，来加快连接的释放；修改后，内核进行编译后进行替换。
Nginx的配置与系统环境变量间的关系
系统默认的是1024，若在Nginx的配置文件中，配置了worker_connections 4096;后，再启动时，会出现这样的一个警告:
nginx: [warn] 4096 worker_connections exceed open file resource limit: 1024
Nginx中的这些和系统变量有关的，是根据系统中的配置而进行设置的，若大于了系统变量的范围的话，不会生效，会被默认成系统的值，如每个worker进行能够打开的文件数量就被默认成系统的值1024；
注意：
修改内核变量是有风险的，最好是在测试环境进行测试通过，再将配置平移到生产环境。
REF:
IPV4和IPV6的内核参数各项的意义及取值：
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/ip-sysctl.txt
关于/proc目录下的主要项的介绍：
http://man7.org/linux/man-pages/man5/proc.5.html