TCP保活机制（KeepAlive）

2021年6月12日 151次阅读 来源: 白乐先

TCP保活机制

如果两端的 TCP 连接一直没有数据交互，达到了触发 TCP 保活机制的条件，那么内核里的 TCP 协议栈就会发送探测报文。

  • 如果对端程序是正常工作的。当 TCP 保活的探测报文发送给对端, 对端会正常响应，这样 TCP 保活时间会被重置，等待下一个 TCP 保活时间的到来。

  • 如果对端主机崩溃，或对端由于其他原因导致报文不可达。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后，石沉大海，没有响应，连续几次，达到保活探测次数后，TCP 会报告该 TCP 连接已经死亡。

所以，TCP 保活机制可以在双方没有数据交互的情况，通过探测报文，来确定对方的 TCP 连接是否存活。

TCP保活相关参数如下：

  • SO_KEEPALIVE：是否开启保活

  • TCP_KEEPIDLE：Start keeplives after this period

  • TCP_KEEPINTVL：Interval between keepalives

  • TCP_KEEPCNT：Number of keepalives before death

保活机制示例

开启一个简单的tcp服务器，代码如下

/*server.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/wait.h>
#include <netinet/tcp.h>
​
#define PORT 4000//端口号 
#define BACKLOG 5/*最大监听数*/ 
#define MAX_DATA 100//接收到的数据最大程度 
​
int main(){
    int sockfd,new_fd;/*socket句柄和建立连接后的句柄*/
    struct sockaddr_in my_addr;/*本方地址信息结构体，下面有具体的属性赋值*/
    struct sockaddr_in their_addr;/*对方地址信息*/
    int sin_size;
    char buf[MAX_DATA];//储存接收数据 
​
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立socket 
    if(sockfd==-1){
        printf("socket failed:%d",errno);
        return -1;
    }
    my_addr.sin_family=AF_INET;/*该属性表示接收本机或其他机器传输*/
    my_addr.sin_port=htons(PORT);/*端口号*/
    my_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);/*IP，括号内容表示本机IP*/
    bzero(&(my_addr.sin_zero),8);/*将其他属性置0*/
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0){//绑定地址结构体和socket
        printf("bind error");
        return -1;
    }
    listen(sockfd,BACKLOG);//开启监听 ，第二个参数是最大监听数 
    while(1){
        sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
        new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&their_addr,&sin_size);//在这里阻塞知道接收到消息，参数分别是socket句柄，接收到的地址信息以及大小 
        // 开启保活，1分钟内探测不到，断开连接
        int keep_alive = 1;
        int keep_idle = 3;
        int keep_interval = 1;
        int keep_count = 57;
        if (setsockopt(new_fd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keep_alive, sizeof(keep_alive))) {
            perror("Error setsockopt(SO_KEEPALIVE) failed");
            exit(1);
        }
        if (setsockopt(new_fd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &keep_idle, sizeof(keep_idle))) {
            perror("Error setsockopt(TCP_KEEPIDLE) failed");
            exit(1);
        }
        if (setsockopt(new_fd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keep_interval, sizeof(keep_interval))) {
            perror("Error setsockopt(TCP_KEEPINTVL) failed");
            exit(1);
        }
        if (setsockopt(new_fd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keep_count, sizeof(keep_count))) {
            perror("Error setsockopt(TCP_KEEPCNT) failed");
            exit(1);
        }
        while(new_fd != -1) {
            recv(new_fd,buf,MAX_DATA,0);//将接收数据打入buf，参数分别是句柄，储存处，最大长度，其他信息（设为0即可）。 
            printf("%s",buf);
        }
    }
    return 0;
}

上述保活参数（int keep_alive = 1;int keep_idle = 3;int keep_interval = 1;int keep_count = 57;）表示3秒内无交互后，每隔1秒检测一次，57次都没得到响应时会断开连接。

编译可执行文件：gcc server.c -o server

服务端开启服务：./server

客户端连接服务：telnet 192.168.137.101 4000

这里服务端地址为192.168.137.101

《TCP保活机制（KeepAlive）》

上图可以看到每隔1秒有保活报文，且客户端正常响应。

接下来我们将192.168.137.102的网卡down掉

《TCP保活机制（KeepAlive）》可以看到客户端已经无响应了，经过1分种左右就可看见服务端的连接断掉了

《TCP保活机制（KeepAlive）》

 

TCP异常断开连接场景

几个思考点：

是否开启keepalive？

是否存在数据交互？

进程崩溃；

客户端主机宕机（客户端网络不可用 是同种情况）；

keepalive开启，服务器会探测客户端，不会出现问题。

keepalive未开启，存在以下情况

1、客户端进程崩溃

使用 kill -9 来模拟进程崩溃的情况，发现在 kill 掉进程后，服务端会发送 FIN 报文，与客户端进行四次挥手。

所以，即使没有开启 TCP keepalive，且双方也没有数据交互的情况下，如果其中一方的进程发生了崩溃，这个过程操作系统是可以感知的到的，于是就会发送 FIN 报文给对方，然后与对方进行 TCP 四次挥手。

2、存在数据交互，客户端主机宕机

  • 第一种，客户端主机宕机，又迅速重启，会发生什么？

  • 第二种，客户端主机宕机，一直没有重启，会发生什么？

客户端主机宕机，又迅速重启

在客户端主机宕机后，服务端向客户端发送的报文会得不到任何的响应，在一定时长后，服务端就会触发超时重传机制，重传未得到响应的报文。

服务端重传报文的过程中，刚好客户端主机重启完成，这时客户端的内核就会接收重传的报文，：

  • 如果客户端主机上没有进程监听该 TCP 报文的目标端口号，由于找不到目标端口，客户端内核就会回复 RST 报文，重置该 TCP 连接；

  • 如果客户端主机上有进程监听该 TCP 报文的目标端口号，由于客户端主机重启后，之前的 TCP 连接的数据结构已经丢失了，客户端内核里协议栈会发现找不到该 TCP 连接的 socket 结构体，于是就会回复 RST 报文，重置该 TCP 连接。

所以，只要有一方重启完成后，收到之前 TCP 连接的报文，都会回复 RST 报文，以断开连接。

客户端主机宕机，一直没有重启

这种情况，服务端超时重传报文的次数达到一定阈值后，内核就会判定出该 TCP 有问题，然后通过 Socket 接口告诉应用程序该 TCP 连接出问题了。

那具体重传几次呢？

在 Linux 系统中，提供了一个叫 tcp_retries2 配置项，默认值是 15，如下：

[root@node01 ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2
15

这个内核参数是控制，在 TCP 连接建立的情况下，超时重传的最大次数。

不过 tcp_retries2 设置了 15 次，并不代表 TCP 超时重传了 15 次才会通知应用程序终止该 TCP 连接，内核还会基于「最大超时时间」来判定。

每一轮的超时时间都是倍数增长的，比如第一次触发超时重传是在 2s 后，第二次则是在 4s 后，第三次则是 8s 后，以此类推。

内核会根据 tcp_retries2 设置的值，计算出一个最大超时时间。

在重传报文且一直没有收到对方响应的情况时，先达到「最大重传次数」或者「最大超时时间」这两个的其中一个条件后，就会停止重传。

3、不存在数据交互，客户端主机宕机

如果客户端主机崩溃了，服务端是无法感知到的，在加上服务端没有开启 TCP keepalive，又没有数据交互的情况下，服务端的 TCP 连接将会一直处于 ESTABLISHED 连接状态，直到服务端重启进程。

在没有使用 TCP 保活机制，且双方不传输数据的情况下，一方的 TCP 连接处在 ESTABLISHED 状态时，并不代表另一方的 TCP 连接还一定是正常的。

    原文作者：白乐先
    原文地址: https://blog.csdn.net/ComplexMaze/article/details/124201088
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