(服务器用的阿里云主机,CentOS 7.3,似乎不管内存多少阿里云都把 conntrack_max 设成 65536)

症状
CentOS服务器,负载正常,但请求大量超时,服务器/应用访问日志看不到相关请求记录。

在dmesg或/var/log/messages看到大量以下记录:

kernel: nf_conntrack: table full, dropping packet.

原因
服务器访问量大,内核netfilter模块conntrack相关参数配置不合理,导致新连接被drop掉。

详细
nf_conntrack模块在kernel 2.6.15(2006-01-03发布) 被引入,支持ipv4和ipv6,取代只支持ipv4的ip_connktrack,用于跟踪连接的状态,供其他模块使用。

最常见的使用场景是 iptables 的 nat 和 state 模块:

nat 根据转发规则修改IP包的源/目标地址,靠nf_conntrack的记录才能让返回的包能路由到发请求的机器。
state 直接用 nf_conntrack 记录的连接状态(NEW/ESTABLISHED/RELATED/INVALID)来匹配防火墙过滤规则。
iptables

nf_conntrack用1个哈希表记录已建立的连接,包括其他机器到本机、本机到其他机器、本机到本机(例如 ping 127.0.0.1 也会被跟踪)。

如果连接进来比释放的快,把哈希表塞满了,新连接的数据包会被丢掉,此时netfilter变成了一个黑洞,导致拒绝服务。 这发生在3层(网络层),应用程序毫无办法。

各发行版区别:

CentOS (7.3) 默认加载该模块
Ubuntu (16.10+) 和 Kali Linux (2016.1+) 默认不加载,不会有这问题
查看
netfilter 相关的内核参数:

sudo sysctl -a | grep conntrack

只看超时相关参数(超时时间 = 连接在哈希表里保留的时间)

sudo sysctl -a | grep conntrack | grep timeout
netfilter模块加载时的bucket和max配置:

sudo dmesg | grep conntrack

找类似这样的记录:

nf_conntrack version 0.5.0 (16384 buckets, 65536 max)

哈希表使用情况:

grep conntrack /proc/slabinfo

前4个数字分别为:

当前活动对象数、可用对象总数、每个对象的大小(字节)、包含至少1个活动对象的分页数

当前跟踪的连接数:

sudo sysctl net.netfilter.nf_conntrack_count

或 cat /proc/net/nf_conntrack | wc -l

跟踪的每个连接的详情:

cat /proc/net/nf_conntrack

统计里面的TCP连接的各状态和条数

cat /proc/net/nf_conntrack | awk '/^.tcp.$/ {count[$6]++} END {for(state in count) print state, count[state]}'

记录数最多的10个ip

cat /proc/net/nf_conntrack | awk '{print $7}' | cut -d "=" -f 2 | sort | uniq -c | sort -nr | head -n 10

记录格式:

网络层协议名、网络层协议编号、传输层协议名、传输层协议编号、记录失效前剩余秒数、连接状态(不是所有协议都有)

之后都是key=value或flag格式,1行里最多2个同名key(如 src 和 dst),第1次出现的来自请求,第2次出现的来自响应

flag:

[ASSURED] 请求和响应都有流量

[UNREPLIED] 没收到响应,哈希表满的时候这些连接先扔掉

stackoverflow - details of /proc/net/ip_conntrack / nf_conntrack

常用参数说明

哈希表里的实时连接跟踪数(只读)

net.netfilter.nf_conntrack_count

值跟 /proc/net/nf_conntrack 的行数一致

有说法是这数字持续超过 nf_conntrack_max 的 20% 就该考虑调高上限了。

哈希表大小(只读)(64位系统、8G内存默认 65536,16G翻倍,如此类推)

net.netfilter.nf_conntrack_buckets

最大跟踪连接数,默认 nf_conntrack_buckets * 4

net.netfilter.nf_conntrack_max
net.nf_conntrack_max

跟踪的连接用哈希表存储,每个桶(bucket)里都是1个链表,默认长度为4

默认值参考以下公式:(使用内存的 1/16384)

CONNTRACK_MAX = RAMSIZE (in bytes) / 16384 / (ARCH / 32)

(ARCH为你机器CPU的架构,64或32)

HASHSIZE = CONNTRACK_MAX / 4

(N年前是除8,这数字就是每个桶里的链表长度)

现在凡是有那么点用户量的服务器跟踪20万以上连接很正常,真按系统默认值也勉强能用,但阿里云似乎设了特别保守的默认值,bucket为 16384,max为 65536,这是倒退回了07-11年CentOS 5-6的时代。

netfilter的哈希表存储在内核空间,这部分内存不能swap

操作系统为了兼容32位,默认值往往比较保守:

在32位Linux下,内核空间的虚拟地址空间最多 1G,通常能用的只有前 896M

1条跟踪记录约 300 字节,给netfilter分配太多地址空间可能会导致其他内核进程不够分配,因此当年默认最多 65535 条,占 20多MB

64位系统内核空间最多能用虚拟地址空间的一半(128TB),只需要关心物理内存使用多少就行了

内存占用参考以下公式:

size_of_mem_used_by_conntrack (in bytes) = CONNTRACK_MAX sizeof(struct ip_conntrack) + HASHSIZE sizeof(struct list_head)

sizeof(struct ip_conntrack) 在不同架构、内核版本、编译选项下不一样,192~352字节之间,可以按 352 算

sizeof(struct list_head) = 2 * size_of_a_pointer(32位系统是4字节,64位是8字节)

在64位下,当CONNTRACK_MAX为 1048576,HASHSIZE 为 262144 时,最多占350多MB

对现在的机器来说毫无压力

推荐bucket至少 262144,max至少 1048576,不够再继续加

https://wiki.khnet.info/index.php/Conntrack_tuning, 2008-01

缩短超时时间可以让netfilter更快地把跟踪的记录从哈希表里移除。

调优的基本思路是先看 /proc/net/nf_conntrack ,哪种协议哪种状态的连接最多,改小对应的超时参数

注意要充分测试,确保不影响业务。

通常挥手的状态都不怎么重要,连接都关了,没必要继续跟踪那么久:

net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_fin_wait # 默认 120 秒
net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait # 默认 120 秒

主动方的最后1个状态,默认2MSL

net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_close_wait # 默认 60 秒

CLOSE_WAIT是被动方收到FIN发ACK,然后会转到LAST_ACK发FIN,除非程序写得有问题,正常来说这状态持续时间很短。

(我们服务器 nf_conntrack文件里 time_wait 占了99%

把time_wait超时改成 30 秒后,nf_conntrack_count下降超过一半)

net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_established # 默认 432000 秒(5天)

理论上不用这么长,不小于 net.ipv4.tcp_keepalive_time 就行了

(我们调了看不出效果)

net.netfilter.nf_conntrack_generic_timeout # 默认 600 秒(10分钟)

通用超时设置,作用于4层(传输层)未知或不支持的协议

(基本不会碰到这种连接,同样调了看不出效果)

#net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_max_retrans # 默认 300 秒
#net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_unacknowledged # 默认 300 秒
调优
A. 调整内核参数
如果不能关掉防火墙,基本思路就是上面说的,调大nf_conntrack_buckets和nf_conntrack_max,调小超时时间。

除了有关联的参数,尽量一次只改一处,记下默认值,效果不明显或更差就还原。

net.netfilter.nf_conntrack_buckets 不能直接改(报错)

需要修改模块的设置:

echo 262144 > /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize

如果不是root:

echo 262144 | sudo tee /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize

再查看,bucket已经变成设置的大小

sudo sysctl net.netfilter.nf_conntrack_buckets

max设为桶的4倍

sudo sysctl -w net.netfilter.nf_conntrack_max=1048576
suod sysctl -w net.nf_conntrack_max=1048576
sudo sysctl -w net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_fin_wait=30
sudo sysctl -w net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait=30
sudo sysctl -w net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_close_wait=15

sudo sysctl -w net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_established=300
用sysctl -w或echo xxx > /pro/sys/net/netfilter/xxx做的修改在重启后会失效。

如果测试过没问题,可以编辑/etc/sysctl.d/下的配置文件(旧系统是/etc/sysctl.conf),系统启动时会加载里面的设置。

sudo vim /etc/sysctl.d/90-conntrack.conf

格式:<参数>=<值>,等号两边可以空格,支持 # 注释

net.netfilter.nf_conntrack_max=1048576
net.nf_conntrack_max=1048576
net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_fin_wait=30
net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait=30
net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_close_wait=15
net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_established=300

如果要马上应用配置文件里的设置:

sudo sysctl -p /etc/sysctl.d/90-conntrack.conf

不传配置文件路径默认加载 /etc/sysctl.conf

B. 关闭防火墙
对不直接暴露在公网、没有用到NAT转发的服务器来说,关闭Linux防火墙是最简单也是最佳的办法。

通常防火墙一关,sysctl -a里就没有netfilter相关的参数了。如果有例外,照上面调整。

CentOS 7.x

sudo systemctl stop firewalld
sudo systemctl disable firewalld

CentOS 6.x

sudo service iptables stop

网上有些文章说关了iptables之后,用 iptables -L -n 之类查看规则也会导致nf_conntrack重新加载,实测并不会

sudo chkconfig --del iptables
【注意】以下是网上有些文章提到的解决方法,其实不好用,只记录下来作备忘。

C. 设置不跟踪连接的规则(不推荐)
对需要防火墙的机器,可以在iptables设置NOTRACK规则,减少要跟踪的连接数

【注意】设置成不跟踪的连接无法拿到状态,可能会导致keep-alive用不了:

我们改之前 ESTAB 的连接1000多,改之后超过1.5w,响应时间几十秒,前端基本连不上。

查看所有规则

sudo iptables-save

这个必须插在第1条,凡是不跟踪的肯定是你想放行的

sudo iptables -I INPUT 1 -m state --state UNTRACKED -j ACCEPT

设置成不跟踪的连接无法拿到状态,包含状态(-m state --state)的规则统统失效

iptables处理规则的顺序是从上到下,如果这条加的位置不对,可能导致请求无法通过防火墙

不跟踪 127.0.0.1

sudo iptables -t raw -A PREROUTING -i lo -j NOTRACK
sudo iptables -t raw -A OUTPUT -o lo -j NOTRACK

保存规则(否则重启服务后失效)

sudo service iptables save

其实就是把 iptables-save 的内容存到 /etc/sysconfig/iptables

假如Nginx和应用部署在同一台机子上,增加这规则的收益极为明显

Nginx连各种upstream使得连接数起码翻了倍,不跟踪本地连接一下干掉一大半

(其他条件不变,修改前后 nf_conntrack_count:30k+ -> 2.9k+ ,下降 90%!)

sudo iptables -t raw -A PREROUTING -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j NOTRACK

sudo iptables -t raw -A OUTPUT -p tcp -m multiport --sports 80,443 -j NOTRACK

(实测少跟踪 7% 左右的链接)

说明:

-t raw 会加载 iptable_raw 模块(kernel 2.6+ 都有)

raw表基本就干一件事,通过-j NOTRACK给不需要被连接跟踪的包打标记(UNTRACKED状态),告诉nf_conntrack不要跟踪连接

raw 的优先级大于 filter,mangle,nat,包含 PREROUTING(针对进入本机的包) 和 OUTPUT(针对从本机出去的包) 链

缺点:不好维护,服务器对外端口较多或有变化时,容易改出问题

D. 禁用相关模块(不推荐)
只要iptables还有规则用到nat和state模块,就不适合关掉netfilter,否则这些规则会失效。

例如这条默认规则(通常写在第1条或很靠前的位置):

-A INPUT -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT
表示放行已经建立的连接,不再往下匹配其他规则(第一次建立时已经全部检查过关了)。关掉netfilter会拿不到状态,导致每个请求都要从头到尾检查一次,影响性能。

因此如果iptables不能关,最好不要禁用netfilter。

如果确实需要禁用:

查找相关模块

sudo lsmod | egrep "ip_table|iptable|nat|conntrack"

查看iptables规则

sudo iptables-save

把带 -t nat 、-m state 的规则都干掉

或删掉 /etc/sysconfig/iptables 里相应内容

编辑 iptables 配置文件

sudo vim /etc/sysconfig/iptables-config

找到 IPTABLES_MODULES ,删掉跟conntrack有关的模块(如果有)

停掉iptables

sudo service iptables stop
sudo chkconfig --del iptables

移除相关模块(如果有)

sudo rmmod iptable_nat
sudo rmmod ip6table_nat
sudo rmmod nf_defrag_ipv4
sudo rmmod nf_defrag_ipv6
sudo rmmod nf_nat
sudo rmmod nf_nat_ipv4
sudo rmmod nf_nat_ipv6
sudo rmmod nf_conntrack
sudo rmmod nf_conntrack_ipv4
sudo rmmod nf_conntrack_ipv6
sudo rmmod xt_conntrack

需要再开就 sudo modprobe <name>

缺点:如果环境/配置文件不是完全由你掌控或没有很好的管理,容易出问题