如何標(biāo)識(shí)一個(gè)TCP連接

首先，問題中描述的65535個(gè)連接指的是客戶端連接數(shù)的限制。

在tcp應(yīng)用中，server事先在某個(gè)固定端口監(jiān)聽，client主動(dòng)發(fā)起連接，經(jīng)過三路握手后建立tcp連接。那么對(duì)單機(jī)，其最大并發(fā)tcp連接數(shù)是多少呢？

如何標(biāo)識(shí)一個(gè)TCP連接

在確定最大連接數(shù)之前，先來看看系統(tǒng)如何標(biāo)識(shí)一個(gè)tcp連接。系統(tǒng)用一個(gè)4四元組來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)TCP連接：{localip, localport,remoteip,remoteport}。

client最大tcp連接數(shù)

client每次發(fā)起tcp連接請(qǐng)求時(shí)，除非綁定端口，通常會(huì)讓系統(tǒng)選取一個(gè)空閑的本地端口（local port），該端口是獨(dú)占的，不能和其他tcp連接共享。tcp端口的數(shù)據(jù)類型是unsigned short，因此本地端口個(gè)數(shù)最大只有65536，端口0有特殊含義，不能使用，這樣可用端口最多只有65535，所以在全部作為client端的情況下，一個(gè)client最大tcp連接數(shù)為65535，這些連接可以連到不同的serverip。

server最大tcp連接數(shù)

server通常固定在某個(gè)本地端口上監(jiān)聽，等待client的連接請(qǐng)求。不考慮地址重用（unix的SO_REUSEADDR選項(xiàng)）的情況下，即使server端有多個(gè)ip，本地監(jiān)聽端口也是獨(dú)占的，因此server端tcp連接4元組中只有remoteip（也就是clientip）和remote port（客戶端port）是可變的，因此最大tcp連接為客戶端ip數(shù)×客戶端port數(shù)，對(duì)IPV4，不考慮ip地址分類等因素，最大tcp連接數(shù)約為2的32次方（ip數(shù)）×2的16次方（port數(shù)），也就是server端單機(jī)最大tcp連接數(shù)約為2的48次方。

實(shí)際的tcp連接數(shù)

上面給出的是理論上的單機(jī)最大連接數(shù)，在實(shí)際環(huán)境中，受到機(jī)器資源、操作系統(tǒng)等的限制，特別是sever端，其最大并發(fā)tcp連接數(shù)遠(yuǎn)不能達(dá)到理論上限。在unix/linux下限制連接數(shù)的主要因素是內(nèi)存和允許的文件描述符個(gè)數(shù)（每個(gè)tcp連接都要占用一定內(nèi)存，每個(gè)socket就是一個(gè)文件描述符），另外1024以下的端口通常為保留端口。

所以，對(duì)server端，通過增加內(nèi)存、修改最大文件描述符個(gè)數(shù)等參數(shù)，單機(jī)最大并發(fā)TCP連接數(shù)超過10萬,甚至上百萬是沒問題的。

這明顯是進(jìn)入了思維的誤區(qū)，65535是指可用的端口總數(shù)，并不代表服務(wù)器同時(shí)只能接受65535個(gè)并發(fā)連接。
舉個(gè)例子：

我們做了一個(gè)網(wǎng)站，綁定的是TCP的80端口，結(jié)果是所有訪問這個(gè)網(wǎng)站的用戶都是通過服務(wù)器的80端口訪問，而不是其他端口。可見端口是可以復(fù)用的。

即使Linux服務(wù)器只在80端口偵聽服務(wù)， 也允許有10萬、100萬個(gè)用戶連接服務(wù)器。Linux系統(tǒng)不會(huì)限制連接數(shù)至于服務(wù)器能不能承受住這么多的連接，取決于服務(wù)器的硬件配置、軟件架構(gòu)及優(yōu)化。

我們知道兩個(gè)進(jìn)程如果需要進(jìn)行通訊最基本的一個(gè)前提是：能夠唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程。在本地進(jìn)程通訊中我們可以使用PID來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，但PID只在本地唯一，網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)進(jìn)程PID沖突幾率很大。

這時(shí)候就需要另辟它徑了，IP地址可以唯一標(biāo)示主機(jī)，而TCP層協(xié)議和端口號(hào)可以唯一標(biāo)示主機(jī)的一個(gè)進(jìn)程，這樣可以利用IP地址＋協(xié)議＋端口號(hào)唯一標(biāo)示網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)進(jìn)程。

能夠唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程后，它們就可以利用socket進(jìn)行通信了。socket（套接字）是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口供應(yīng)用層調(diào)用以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中通信。

socket源自Unix，是一種"打開—讀/寫—關(guān)閉"模式的實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器和客戶端各自維護(hù)一個(gè)"文件"，在建立連接打開后，可以向自己文件寫入內(nèi)容供對(duì)方讀取或者讀取對(duì)方內(nèi)容，通訊結(jié)束時(shí)關(guān)閉文件。

唯一能夠確定一個(gè)連接有4個(gè)東西：

服務(wù)器的IP

服務(wù)器的Port

客戶端的IP

客戶端的Port

服務(wù)器的IP和Port可以保持不變，只要客戶端的IP和Port彼此不同就可以確定一個(gè)連接數(shù)。

一個(gè)socket是可以建立多個(gè)連接的，一個(gè)TCP連接的標(biāo)記為一個(gè)四元組(source_ip, source_port, destination_ip, destination_port)，即(源IP，源端口，目的IP，目的端口)四個(gè)元素的組合。只要四個(gè)元素的組合中有一個(gè)元素不一樣，那就可以區(qū)別不同的連接。

舉個(gè)例子：

你的主機(jī)IP地址是1.1.1.1， 在8080端口監(jiān)聽

當(dāng)一個(gè)來自 2.2.2.2 發(fā)來一條連接請(qǐng)求，端口為5555。這條連接的四元組為(1.1.1.1, 8080, 2.2.2.2, 5555)

這時(shí)2.2.2.2又發(fā)來第二條連接請(qǐng)求，端口為6666。新連接的四元組為(1.1.1.1, 8080, 2.2.2.2, 6666)

那么，你主機(jī)的8080端口建立了兩條連接；

（2.2.2.2）發(fā)來的第三條連接請(qǐng)求,端口為5555(或6666)。第三條連接的請(qǐng)求就無法建立，因?yàn)闆]有辦法區(qū)分于上面兩條連接。

同理，可以在同一個(gè)端口號(hào)和IP地址上綁定一個(gè)TCP socket和一個(gè)UDP socket 因?yàn)槎丝谔?hào)雖然一樣，但由于協(xié)議不一樣，所以端口是完全獨(dú)立的。TCP/UDP一般采用五元組來定位一個(gè)連接:source_ip, source_port, destination_ip, destination_port， protocol_type即（源IP，源端口，目的IP，目的端口，協(xié)議號(hào)）

綜上所述，服務(wù)器的并發(fā)數(shù)并不是由TCP的65535個(gè)端口決定的。服務(wù)器同時(shí)能夠承受的并發(fā)數(shù)是由帶寬、硬件、程序設(shè)計(jì)等多方面因素決定的。

所以也就能理解淘寶、騰訊、頭條、百度、新浪、嗶嗶嗶嗶等為什么能夠承受住每秒鐘幾億次的并發(fā)訪問，是因?yàn)樗麄儾捎玫氖欠?wù)器集群。服務(wù)器集群分布在全國(guó)各地的大型機(jī)房，當(dāng)訪問量小的時(shí)候會(huì)關(guān)閉一些服務(wù)器，當(dāng)訪問量大的時(shí)候會(huì)不斷的開啟新的服務(wù)器。

65535從哪來的，干啥的？

要解釋好這個(gè)問題，就要先說清楚65535的含義。在Linux系統(tǒng)中，如果兩個(gè)機(jī)器要通信，那么相互之間需要建立TCP連接，為了讓雙方互相認(rèn)識(shí)，Linux系統(tǒng)用一個(gè)四元組來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)TCP連接：{local ip, local port, remote ip, remote port}，即本機(jī)IP、本機(jī)端口、遠(yuǎn)程IP、遠(yuǎn)程端口，IP和端口就相當(dāng)于小區(qū)地址和門牌號(hào)，只有拿到這些信息，通信的雙方才能互相認(rèn)知。在Linux系統(tǒng)中，表示端口號(hào)（port）的變量占16位，這就決定了端口號(hào)最多有2的16次方個(gè)，即65536個(gè)，另外端口0有特殊含義不給使用，這樣每個(gè)服務(wù)器最多就有65535個(gè)端口可用。因此，65535代表Linux系統(tǒng)支持的TCP端口號(hào)數(shù)量，在TCP建立連接時(shí)會(huì)使用。

TCP怎么建立連接，與端口號(hào)是什么關(guān)系？

Linux服務(wù)器在交互時(shí)，一般有兩種身份：客戶端或者服務(wù)器端。典型的交互場(chǎng)景是：

服務(wù)器端主動(dòng)創(chuàng)建監(jiān)聽的socket，并綁定對(duì)外服務(wù)端口port，然后開始監(jiān)聽

客戶端想跟服務(wù)器端通信時(shí)，就開始連接服務(wù)器的端口port

服務(wù)端接受客戶端的請(qǐng)求，然后再生成新的socket

服務(wù)器和客戶端在新的socket里進(jìn)行通信

可以看到，端口port主要用在服務(wù)器和客戶端的“握手認(rèn)識(shí)”過程，一旦互相認(rèn)識(shí)了，就會(huì)生成新的socket進(jìn)行通信，這時(shí)候port就不再需要了，可以給別的socket通信去使用，所以很明顯TCP連接的數(shù)量可以大于TCP端口號(hào)的數(shù)量65,535。

考慮一下兩個(gè)極端場(chǎng)景，即某臺(tái)Linux服務(wù)器只作為客戶端或者服務(wù)器端

（1）Linux服務(wù)器只作為客戶端

這時(shí)候每發(fā)起一個(gè)TCP請(qǐng)求，系統(tǒng)就會(huì)指定一個(gè)空閑的本地端口給你用，而且是獨(dú)占式的，不會(huì)被別的TCP連接搶走，這樣最多可以建立65535個(gè)連接，每個(gè)連接都與不同的服務(wù)器進(jìn)行交互。這種場(chǎng)景，就是題主所描述的樣子，但是由于條件過于苛刻，屬于小概率事件，所以更多的還是理論上的可能，現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中幾乎不會(huì)出現(xiàn)。

（2）Linux服務(wù)器只作為服務(wù)端

這種場(chǎng)景下，服務(wù)端就會(huì)固定的監(jiān)聽本地端口port，等著客戶端來向它發(fā)起請(qǐng)求。為了計(jì)算簡(jiǎn)單，我們假設(shè)服務(wù)器端的IP跟端口是多對(duì)一的，這樣TCP四元組里面就有remote ip和remote port是可變的，因此最大支持創(chuàng)建TCP個(gè)數(shù)為2的32次方（IP地址是32位的）乘以2的16次方（port是16位的）等于2的48次方。

現(xiàn)實(shí)中單臺(tái)Linux服務(wù)器支持的TCP連接數(shù)量

通過前面的分析我們知道，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，由于存在端口port復(fù)用的情況，服務(wù)器可同時(shí)支持的TCP連接數(shù)跟65535沒有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，事實(shí)上，真正影響TCP連接數(shù)量的，是服務(wù)器的內(nèi)存以及允許單一進(jìn)程同時(shí)打開文件的數(shù)量，因?yàn)槊縿?chuàng)建一個(gè)TCP連接都要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)socket句柄，每個(gè)socket句柄都占用一部分系統(tǒng)內(nèi)存，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存被占用殆盡，允許的TCP并發(fā)連接數(shù)也就到了上限。一般來講，通過增加服務(wù)器內(nèi)存、修改最大文件描述符個(gè)數(shù)等，可以做到單臺(tái)服務(wù)器支持10萬+的TCP并發(fā)。

當(dāng)然，在真實(shí)的商用場(chǎng)景下，單臺(tái)服務(wù)器都會(huì)編入分布式集群，通過負(fù)載均衡算法動(dòng)態(tài)的調(diào)度不同用戶的請(qǐng)求給最空閑的服務(wù)器，如果服務(wù)器平均內(nèi)存使用超過80%的警戒線，那么就會(huì)及時(shí)采用限流或者擴(kuò)展集群的方式來保證服務(wù)，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器的內(nèi)存被耗盡的情況，那樣就算事故了。

總之，65535只是Linux系統(tǒng)中可使用端口port數(shù)量的上限，端口port數(shù)量與TCP連接數(shù)量并非完全一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，服務(wù)器支持的TCP并發(fā)連接數(shù)量主要跟服務(wù)器的內(nèi)存以及允許單個(gè)進(jìn)程同時(shí)打開的文件數(shù)量有關(guān)系，通過端口復(fù)用及調(diào)整服務(wù)器參數(shù)等手段，單臺(tái)服務(wù)器支持的TCP并發(fā)連接數(shù)是可以高于65535的。