TCP保活机制Keep-Alive
对于TCP来说，当连接处于“静默”状态的时候，没有办法发现TCP连接是有效的还是无效的，比如客户端突然崩溃，服务器端可能几天内都维护着一个无用的连接。 静默的一些情况： - 连接建立后未立即发送数据 - 数据传输完毕后的空闲时间 - 网络延迟和阻塞 - 应用层空闲状态
解决方案：
1. TCP保活机制Keep-Alive
该机制的原理是，定义一个时间段，在这个时间段内，如果没有任何连接相关的活动，TCP保活机制会开始作用，每隔一段时间间隔，发送一个探测报文，该探测报文包含的数据非常少，如果连续几个探测报文，都没有响应，则认为当前的TCP连接已经死亡，系统内核将错误信息通知给上层应用程序。
上述的时间段分别为保活时间、保活时间间隔、保活探测次数。在 Linux 系统中，这些变量分别对应 sysctl 变量net.ipv4.tcp_keepalive_time、net.ipv4.tcp_keepalive_intvl、 net.ipv4.tcp_keepalve_probes，默认设置是 7200 秒（2 小时）、75 秒和 9 次探测。
该保活机制默认是关闭的
在 Linux 系统中，也可以通过修改相应的 sysctl 变量来全局开启 TCP 的保活机制。通过修改 /etc/sysctl.conf 文件，并添加相应的配置项，然后通过 sysctl -p 命令使配置生效。例如：
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75
net.ipv4.tcp_keepalve_probes = 9
也可以使用setsockopt来设置：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
int main() {
int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (client_socket < 0) {
perror("Socket creation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 开启TCP的保活机制
int optval = 1;
if (setsockopt(client_socket, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, sizeof(optval)) < 0) {
perror("Setting SO_KEEPALIVE option failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置保活时间（单位：秒）
int keepalive_time = 7200;
if (setsockopt(client_socket, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &keepalive_time, sizeof(keepalive_time)) < 0) {
perror("Setting TCP_KEEPIDLE option failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置保活时间间隔（单位：秒）
int keepalive_interval = 75;
if (setsockopt(client_socket, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, &keepalive_interval, sizeof(keepalive_interval)) < 0) {
perror("Setting TCP_KEEPINTVL option failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置保活探测次数
int keepalive_probes = 9;
if (setsockopt(client_socket, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, &keepalive_probes, sizeof(keepalive_probes)) < 0) {
perror("Setting TCP_KEEPCNT option failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 连接服务器
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(server_port);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("server_ip");
if (connect(client_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("Connection to server failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 发送和接收数据...
return 0;
}
2. 应用层探活
如果使用TCP自身的Keep-Alive机制，在linux系统中，最少要经过2小时11分钟15秒才可以发现一个“死亡”连接。
所以需要在应用层找到更好的解决方案，在应用层模拟TCP Keep-Alive机制，来完成应用层的连接探活
设计一个PING-PONG的机制，需要保活的一方，比如客户端，在保活时间达到后，发起对连接的PING操作，如果服务器端对PING操作有回应，则重新设置保活时间，否则则对探测次数进行计数，如果最终探测次数预先设计的值之后，则认为连接已经无效。
这里需要关注两个点： 需要使用定时器，可以使用I/O复用自身的机制来实现（如select的最后一个参数），另一个是设计PING-PONG的协议
typedef struct {
u_int32_t type;
char data[1024];
} messageObject;
#define MSG_PING 1
#define MSG_PONG 2
#define MSG_TYPE1 11
#define MSG_TYPE2 21
客户端代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define ERRLOG(msg) \
do { \
printf("%s %s %d\n", __func__, __FILE__, __LINE__); \
perror(msg); \
exit(-1); \
} while (0)
typedef struct {
u_int32_t type;
char data[1024];
} messageObject;
#define MSG_PING 1
#define MSG_PONG 2
#define MSG_TYPE1 11
#define MSG_TYPE2 21
#define KEEP_ALIVE_TIME 10
#define KEEP_ALIVE_INTERVAL 3
#define KEEP_ALIVE_PROBETIMES 3
int main(int argc, char const* argv[])
{
int sockfd;
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
ERRLOG("socket error");
}
struct sockaddr_in serveraddr;
memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
socklen_t serveraddr_len = sizeof(serveraddr);
if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,serveraddr_len)==-1)
{
ERRLOG("connect error");
}
fd_set readfds;
fd_set readfds_temp;
struct timeval tv;
tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
tv.tv_usec = 0;
messageObject msg;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd,&readfds);
int ret = 0;
//记录探活次数
int heartbeat = 0;
char buff[4096] = {0};
while(1)
{
readfds_temp = readfds;
if((ret = (select(sockfd+1,&readfds_temp,NULL,NULL,&tv)))==-1)
{
ERRLOG("select error");
}else if(ret == 0)
{
//超时
//如果探活次数+1大于规定的探活次数
//代表已发送规定的探活次数，那么连接已断开
if(++heartbeat > KEEP_ALIVE_PROBETIMES)
{
ERRLOG("connection dead");
}
printf("send heartbeat %d\n",heartbeat);
//发送PING包
msg.type = htonl(MSG_PING);
if(send(sockfd,&msg,sizeof(messageObject),0)==-1)
{
ERRLOG("send error");
}
tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_INTERVAL;
continue;
}
if(FD_ISSET(sockfd,&readfds_temp)){
if((ret = (recv(sockfd,(char *)buff,4096,0)))==-1)
{
ERRLOG("recv error");
}else if(ret == 0){
break;
}
printf("接收到数据 使heartbeat置0\n");
heartbeat = 0;
tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
}
}
close(sockfd);
return 0;
}
服务器代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define ERRLOG(msg) \
do { \
printf("%s %s %d\n", __func__, __FILE__, __LINE__); \
perror(msg); \
exit(-1);\
} while (0)
typedef struct {
u_int32_t type;
char data[1024];
} messageObject;
#define MSG_PING 1
#define MSG_PONG 2
#define MSG_TYPE1 11
#define MSG_TYPE2 21
#define KEEP_ALIVE_TIME 10
#define KEEP_ALIVE_INTERVAL 3
#define KEEP_ALIVE_PROBETIMES 3
int main(int argc, char const* argv[])
{
int sockfd;
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
ERRLOG("socket error");
}
int sleepTime = atoi(argv[3]);
struct sockaddr_in serveraddr;
memset(&serveraddr,0,sizeof(serveraddr));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
socklen_t serveraddr_len = sizeof(serveraddr);
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,serveraddr_len)==-1)
{
ERRLOG("bind error");
}
if(listen(sockfd,5)==-1)
{
ERRLOG("listen error");
}
int acceptfd;
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t clientaddr_len = sizeof(clientaddr);
if((acceptfd=(accept(sockfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&clientaddr_len)))==-1)
{
ERRLOG("accept error");
}
messageObject msg;
messageObject pong_msg;
int nbytes = 0;
while(1){
if(-1==(nbytes=recv(acceptfd,&msg,sizeof(msg),0)))
{
ERRLOG("recv error");
}else if(nbytes==0)
{
printf("client quit");
close(acceptfd);
break;
}
printf("recevied %d bytes\n",nbytes);
switch (ntohl(msg.type))
{
case MSG_TYPE1:
printf("process MSG_TYPE1\n");
break;
case MSG_TYPE2:
printf("process MSG_TYPE2\n");
break;
case MSG_PING:
//对端发来了探测包
pong_msg.type = MSG_PONG;
sleep(sleepTime);
if(send(acceptfd,(char *)&pong_msg,sizeof(pong_msg),0)==-1)
{
ERRLOG("send error");
}
break;
default:
break;
}
}
close(sockfd);
return 0;
}