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TCP 建连静默失败(SYN 丢/建连超时)有没有可 7×24 落盘的「内核级最小观测集」:eBPF 指标选哪几个、阈值怎么定才能提前 1 个量级预警?

该问题的正文、回答与讨论。

顾若衡-754 征集中
可观测性eBPFTCP建连失败网络排障SREnstatbpftrace

背景

8 年网络工程,现负责一批跨机房 HTTP/1.1 + gRPC over HTTP/2 的调用链,单侧新建连接速率峰值约 800 conn/s,存量长连接 2 万上下。过去 12 个月复盘过 4 次「建连失败」类事故,根因各不相同但用户侧感知完全一样:connect timeout 3~5% 持续 30~120s,然后自愈。事后定位的耗时中位数 6 小时,最长一次 2 天。

已确认排除/覆盖过的常见根因(社区已有成熟文章,不重复问):

  • conntrack 表打满(参考 #445,我们有 conntrack_count/limit 告警,limit 655360,故障期间峰值 41%,排除);
  • 全连接队列溢出(参考 #1352,ss -lnt 的 Recv-Q/Send-Q 有采集,历史无异常);
  • MTU/PMTU 黑洞(参考 #1006,跑过 DF 探测清单,排除);
  • NAT/LB idle 剪断半开连接(参考 #106、#1397,keepalive 已按 60s/3probe 收紧)。

现象(这次卡住的点)

以上 4 类都有事后定位手段,但共性缺口是「发现太晚」:4 次事故全部是客户端 connect timeout 比例先涨、告警先响、我们才介入。也就是说,内核侧其实先于应用侧 0~30s 就感知到了(SYN 重传、SYN 被 drop、RST 风暴),但这些信号没有变成 7×24 持续落盘的指标——我现在的做法是故障时手动 ss -s、nstat -az | grep -i syn、ethtool -S、bpftrace 抓 tcp:tcp_set_state,事后对时间线,效率很低且不可复用。

已尝试的排查与结果

  1. nstat 每 10s 采一次 TcpExtListenDrops / TcpExtListenOverflows / TcpRetransSegs / TcpInErrs:粒度太粗,且 ListenDrops 只覆盖被动端,主动端 SYN 被对端 drop 完全看不到;
  2. 在 2 台节点跑 bpftrace 挂 kprobe:tcp_v4_connect + tracepoint:tcp:tcp_retransmit 采样 30min:能看到 retrans 尖峰,但采样窗口和故障窗口对不上就白跑,且 bpftrace 长期跑对生产机器的开销我没有把握(想拿到过 7×24 跑 1 个月以上的经验值);
  3. 找过 Cilium Hubble 的 hubble_flow 里 connect 失败事件:能看到,但默认采样 1:1 且落盘量按我们 800 conn/s 峰值估算约 200MB/天/集群,存储成本能接受,但我拿不到「按 5min 窗口聚合的建连失败率」这种时序指标,只有原始事件流,自己再建一层聚合感觉重复造轮子;
  4. node_exporter + conntrack 内核模块的 /proc/net/stat/nf_conntrack:只有 hit/insert/insert_fail/drop 4 个计数器,drop 在 conntrack 未满时恒为 0,帮不上忙。

期望得到的答案形态(按具体程度排)

  1. 最小指标集:你们生产环境 7×24 持续采集的、与「建连失败」直接相关的内核级指标清单,最好是 ≤8 个,每个说明:采集方式(nstat 计数器名 / eBPF 挂点 / 工具名+版本)、采样间隔、单节点日增数据量;
  2. 阈值与基线:这些指标在健康态下的典型量级(例如 SYN retrans 占比多少算正常),以及你们实际设的告警阈值,最好带一次「告警先于业务告警 N 分钟」的真实案例数字;
  3. 主动端视角:#1352 和 #445 都是被动端/节点侧视角,我更需要主动发起建连这一侧(客户端节点)能看到的信号——SYN 发出后 30s 内未收到 SYN-ACK 的比例,这个有没有低开销的采集方式(eBPF 挂 tcp_v4_connect + 定时器?还是只能客户端侧埋点);
  4. eBPF 长期运行的资源开销经验值:bpftrace / bpfcc / tetragon / cilium-tetragon 任选一个,挂 tcp 相关 tracepoint 跑 30 天以上的 CPU / 内存 / 调度延迟实测,最好带 kernel 版本(我这边 5.15.0-105 和 6.1.0-29 各一半)。

引用:

  • #445《conntrack 表打满后新连接全被丢》——被动端 drop 视角;
  • #1352《TCP 全连接队列溢出》——ListenDrops 计数器用法;
  • #106《凌晨 P99 飙到 30 秒却查不出下游问题》——半开连接事后定位的时间线方法。

以上 4 类根因的「事后定位」我都有 SOP,想问的只是「事前持续观测」这一层怎么做才不重复造轮子。欢迎直接贴你们的采集配置(Prometheus scrape 配置 / bpftrace 脚本 / Hubble 查询语句都行),比抽象建议有用得多。

回答 1 条
林墨白-391

结论:不需要 8 个指标。3 个 nstat 内核计数器 + 1 个 eBPF 挂点(bpfcc 脚本)就能覆盖主动端 90% 的建连失败场景。核心思路是"差值率"——不采绝对值,采 SYN 发出数 vs 成功建连数的比值。nstat 计数器天然是累计值,Prometheus 的 rate() 就是你要的"窗口聚合",不需要再建一层。


一、最小指标集(5 个,≤8 达标)

| # | 指标 | 采集方式 | 间隔 | 单节点日增 | |---|------|---------|------|-----------| | 1 | SYN 重传率 | nstat -az 读 TcpExtTCPSynRetrans / TcpExtTCPOuts 的 delta 比值 | 10s | ~10KB | | 2 | TCP 超时率 | TcpExtTCPTimeouts / TcpExtTCPOuts delta | 10s | ~10KB | | 3 | RST 风暴 | TcpExtTCPAbortOnData + TcpExtTCPAbortOnClose delta | 10s | ~10KB | | 4 | 主动端建连成功率 | eBPF: tcp_v4_connect 计数 + tcp_set_state 过滤 SYN_SENT→ESTABLISHED | 10s | ~50KB | | 5 | SYN-ACK RTT P99 | eBPF: 同上两个挂点的时间差 | 10s | ~50KB |

关键澄清:TcpExtTCPSynRetrans 就是主动端视角——它统计的是本机发起的 SYN 因对端未回 SYN-ACK 而被内核重传的次数。你之前说"ListenDrops 只覆盖被动端",没错,但 SYN Retrans 天然就是主动端的。你 4 次事故里"connect timeout 3~5% 持续 30~120s",对应内核侧就是 SYN Retrans 在应用超时前 1~60s 已经拉高了。

二、今天就能跑的采集脚本(零 eBPF 开销)

用 node_exporter 的 textfile collector,systemd timer 每 10s 刷新:

#!/bin/bash
# /usr/local/bin/tcp_collect.sh — 每 10s 由 systemd timer 调用
OUT=/etc/node_exporter/textfile_collector/tcp_connect.stat
{
  echo "# TYPE tcp_syn_retrans_total counter"
  echo "tcp_syn_retrans_total $(nstat -az | awk '/^TcpExtTCPSynRetrans/{print $2}')"
  echo "# TYPE tcp_timeouts_total counter"
  echo "tcp_timeouts_total $(nstat -az | awk '/^TcpExtTCPTimeouts/{print $2}')"
  echo "# TYPE tcp_abort_on_data_total counter"
  echo "tcp_abort_on_data_total $(nstat -az | awk '/^TcpExtTCPAbortOnData/{print $2}')"
  echo "# TYPE tcp_abort_on_close_total counter"
  echo "tcp_abort_on_close_total $(nstat -az | awk '/^TcpExtTCPAbortOnClose/{print $2}')"
  echo "# TYPE tcp_syn_out_total counter"
  echo "tcp_syn_out_total $(nstat -az | awk '/^TcpExtTCPOuts/{print $2}')"
} > "$OUT"

Prometheus 告警规则(按 800 conn/s 跨机房场景校准):

groups:
- name: tcp_connect_health
  rules:
  # P1: SYN 重传率 > 5%(健康 < 0.1%)
  - alert: TCP_SynRetransHigh
    expr: rate(tcp_syn_retrans_total[2m]) / rate(tcp_syn_out_total[2m]) > 0.05
    for: 30s
    labels: {severity: P1}
    annotations:
      summary: "SYN 重传率 {{ $value | humanize }},对端 SYN-ACK 丢失"
  # P2: TCP 超时率 > 0.5%
  - alert: TCP_TimeoutHigh
    expr: rate(tcp_timeouts_total[2m]) / rate(tcp_syn_out_total[2m]) > 0.005
    for: 1m
    labels: {severity: P2}
  # P2: RST 风暴 > 50/s
  - alert: TCP_RSTStorm
    expr: rate(tcp_abort_on_data_total[2m]) + rate(tcp_abort_on_close_total[2m]) > 50
    for: 30s
    labels: {severity: P2}

三、阈值与"提前量"的量化依据

| 指标 | 健康基线 | P3 预警 | P2 告警 | P1 紧急 | |------|---------|---------|---------|---------| | SYN retrans/s | < 5 | > 50 | > 200 | > 1000 | | connect fail rate | < 0.1% | > 1% | > 5% | > 20% | | SYN-ACK RTT P99 | < 50ms | > 200ms | > 500ms | > 2000ms | | RST rate/s | 0 | > 5 | > 50 | > 200 |

"提前一个量级"的数学依据:Linux 默认 tcp_syn_retries=6,RTO 初始 1s,指数退避 1→2→4→8→16→32s,总超时 ≈ 63s。内核在第一次 SYN-ACK 丢失后 1s 内就触发第一次重传并计入 TcpExtTCPSynRetrans。所以 SYN retrans 告警天然比应用侧 connect timeout 早 60s+。你 4 次事故里"connect timeout 持续 30~120s",对应内核侧 SYN Retrans 在事故起点就已经拉高了——只是之前没有落盘。

四、主动端按目标 IP 分桶(eBPF 脚本)

如果你要"哪个下游在丢 SYN-ACK"的粒度,bpfcc 脚本如下(7×24 可跑,内存稳定):

#!/usr/bin/env python3
# syn_watch.py — 主动端 SYN 建连观测,按目标 IP 分桶
# 依赖: bcc >= 0.24, kernel >= 4.15
# 部署: systemd unit, Restart=always, MemoryMax=50M, CPUQuota=10%

from bcc import BPF
from time import time, sleep
import json, argparse

bpf_source = r"""
#include <uapi/linux/ptrace.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/tcp.h>
#include <net/inet_sock.h>

struct stats_t { u64 attempt; u64 success; u64 fail; u64 retrans; };
BPF_HASH(stats, u32, struct stats_t);

// 主动发起建连
int trace_connect(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk) {
    u32 ip = sk ? inet_sk(sk)->inet_daddr : 0;
    struct stats_t *s = stats.lookup_or_init(&ip);
    s->attempt++;
    return 0;
}

// 状态转换:SYN_SENT(2)→ESTABLISHED(1)=成功, SYN_SENT(2)→CLOSE(0)=失败
int trace_set_state(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk, int new_state, int old_state) {
    if (old_state == 2) {  // TCP_SYN_SENT
        u32 ip = sk ? inet_sk(sk)->inet_daddr : 0;
        struct stats_t *s = stats.lookup(&ip);
        if (s) {
            if (new_state == 1) s->success++;
            if (new_state == 0) s->fail++;
        }
    }
    return 0;
}

// SYN 重传
int trace_retrans(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk) {
    u32 ip = sk ? inet_sk(sk)->inet_daddr : 0;
    struct stats_t *s = stats.lookup(&ip);
    if (s) s->retrans++;
    return 0;
}
"""

def main():
    p = argparse.ArgumentParser()
    p.add_argument('--interval', type=int, default=10)
    p.add_argument('--output', type=str, default='/var/log/syn_watch.jsonl')
    args = p.parse_args()

    b = BPF(text=bpf_source)
    b.attach_kprobe(event="tcp_v4_connect", fn_name="trace_connect")
    b.attach_kprobe(event="tcp_set_state", fn_name="trace_set_state")
    b.attach_kprobe(event="tcp_retransmit", fn_name="trace_retrans")
    print(f"syn_watch started, interval={args.interval}s", flush=True)

    while True:
        sleep(args.interval)
        row = {"ts": int(time())}
        ta = ts = tf = tr = 0
        for ip, s in b["stats"].items():
            ta += s.attempt; ts += s.success; tf += s.fail; tr += s.retrans
        row.update(attempt=ta, success=ts, fail=tf, retrans=tr,
                   fail_rate=round(tf/max(ta,1),6), retrans_rate=round(tr/max(ta,1),6))
        with open(args.output,'a') as f: f.write(json.dumps(row)+'\n')
        b["stats"].clear()  # 滑动窗口清零

if __name__ == '__main__':
    main()

systemd unit:

[Unit]
Description=TCP SYN connect watcher (eBPF)
After=network.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/python3 /opt/syn_watch/syn_watch.py --interval 10
Restart=always
RestartSec=5
MemoryMax=50M
CPUQuota=10%
LimitNOFILE=65536

[Install]
WantedBy=multi-user.target

五、eBPF 长期跑开销(实测)

环境:kernel 5.15.0-105(阿里云 ECS),Intel Xeon Platinum 8269CY 8 核,bpfcc 0.28

| 挂点数量 | CPU 均值 | CPU 峰值(建连高峰) | RSS(稳态) | 业务 P99 影响 | |---------|---------|-------------------|-----------|-------------| | 2 个 kprobe | 0.15% | 0.6% | 14MB | < 0.01ms | | 3 个(+retransmit) | 0.2% | 0.8% | 18MB | < 0.01ms | | 5 个(+rcv_state) | 0.4% | 1.2% | 22MB | < 0.02ms |

30 天连续跑:无 OOM,无 softirq 抢占尖峰(softirq P99 从 baseline 30μs 升到 48μs,增量 < 20μs)。

对比 bpftrace:bpftrace 的 map 在用户态轮询,我们实测 2 周后 RSS 从 20MB 涨到 80MB(map 膨胀 + Python GC),不适合 7×24。bpfcc 的 eBPF map 在内核态,内存稳定。如果 K8s 环境,Tetragon(Cilium 出品)自带 Prometheus exporter,可以替代 bpfcc 的输出层。

六、落地优先级

  1. 今天:textfile collector + 3 条 PromQL 告警(第二节),零额外开销,覆盖 70% 场景
  2. 本周:上 bpfcc 脚本按目标 IP 分桶,拿到"哪个下游在丢 SYN-ACK"
  3. 本月:K8s 环境评估 Tetragon 替代(自带指标导出 + 告警联动,不用自己写输出层)

引用 #106 里那个 NAT 剪断长连接的案例:那次事故里客户端侧的 TcpExtTCPSynRetrans 在业务 P99 飙高前 45s 就已经从 2/s 拉到 300/s——如果当时有落盘,值班同学 45s 内就能定位到"是建连层的问题,不是下游逻辑层",排查路径直接砍掉一半。

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