為了理解 TCP keepalive的作用。我們需要清楚，當(dāng)TCP的Peer A ，Peer B 兩端建立了連接之后，如果一端突然拔掉網(wǎng)線或拔掉電源時(shí)，怎么檢測(cè)到拔掉網(wǎng)線或者拔掉電源、鏈路不通？原因是在需要長(zhǎng)連接的網(wǎng)絡(luò)通信程序中，經(jīng)常需要心跳檢測(cè)機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)方是否在線或者維持網(wǎng)絡(luò)連接的需要。

什么是 TCP ?；睿?/p>

當(dāng)你建立一個(gè) TCP 連接時(shí)，你關(guān)聯(lián)了一組定時(shí)器。其中一些計(jì)時(shí)器處理?；钸^(guò)程。當(dāng)?；钣?jì)時(shí)器達(dá)到零時(shí)，向?qū)Φ确桨l(fā)送一個(gè)?；钐綔y(cè)數(shù)據(jù)包，其中沒(méi)有數(shù)據(jù)并且 ACK 標(biāo)志打開(kāi)。

由于 TCP/IP 規(guī)范，可以這樣做，作為一種重復(fù)的 ACK，并且遠(yuǎn)程端點(diǎn)將沒(méi)有參數(shù)，因?yàn)?TCP 是面向流的協(xié)議。另一方面，將收到來(lái)自遠(yuǎn)程主機(jī)的回復(fù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)和ACK 集。

如果收到對(duì) keepalive 探測(cè)的回復(fù)，則可以斷言連接仍在運(yùn)行。事實(shí)上，TCP 允許處理流，而不是數(shù)據(jù)包，因此零長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包對(duì)用戶程序沒(méi)有危險(xiǎn)。

此過(guò)程很有用，因?yàn)槿绻渌麑?duì)等方失去連接（例如通過(guò)重新啟動(dòng)），即使沒(méi)有流量，也會(huì)注意到連接已斷開(kāi)。如果對(duì)等方未回復(fù) keepalive 探測(cè)，可以斷言連接不能被視為有效，然后采取正確的操作。

為什么要使用 TCP keepalive？

1、檢查死節(jié)點(diǎn) 2、 防止因網(wǎng)絡(luò)不活動(dòng)而斷開(kāi)連接

檢查死節(jié)點(diǎn)

想一想 Peer A 和 Peer B 之間的簡(jiǎn)單 TCP 連接：初始的三次握手，從 A 到 B 的一個(gè) SYN 段，從 B 到 A 的 SYN/ACK，以及從 A 到 B 的最終 ACK。

此時(shí)，我們處于穩(wěn)定狀態(tài)：連接已建立，現(xiàn)在我們通常會(huì)等待有人通過(guò)通道發(fā)送數(shù)據(jù)。

那么問(wèn)題來(lái)了：從 B 上拔下電源，它會(huì)立即斷電，而不會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任何信息來(lái)通知 A 連接將斷開(kāi)。

從它的角度來(lái)看，A 已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，并且不知道 B 已經(jīng)崩潰。現(xiàn)在恢復(fù)B的電源，等待系統(tǒng)重啟。A 和 B 現(xiàn)在又回來(lái)了，但是當(dāng) A 知道與 B 仍然處于活動(dòng)狀態(tài)的連接時(shí)，B 不知道。當(dāng) A 嘗試通過(guò)死連接向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，情況自行解決，B 回復(fù) RST 數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致 A 最終關(guān)閉連接。

_____                                                     _____
   |     |                                                   |     |
   |  A  |                                                   |  B  |
   |_____|                                                   |_____|
      ^                                                         ^
      |--- >--- >--- >-------------- SYN -------------- >--- >--- >---|
      |---< ---< ---< ------------ SYN/ACK ------------< ---< ---< ---|
      |--- >--- >--- >-------------- ACK -------------- >--- >--- >---|
      |                                                         |
      |                                       system crash --- > X
      |
      |                                     system restart --- > ^
      |                                                         |
      |--- >--- >--- >-------------- PSH -------------- >--- >--- >---|
      |---< ---< ---< -------------- RST --------------< ---< ---< ---|
      |                                                         |

Keepalive 可以告訴您何時(shí)無(wú)法訪問(wèn)另一個(gè)對(duì)等點(diǎn)，而不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。

防止因網(wǎng)絡(luò)不活動(dòng)而斷開(kāi)連接

keepalive 的另一個(gè)有用目標(biāo)是防止不活動(dòng)斷開(kāi)通道。當(dāng)你在 NAT 代理或防火墻后面時(shí)，無(wú)緣無(wú)故斷開(kāi)連接是一個(gè)非常常見(jiàn)的問(wèn)題。這種行為是由代理和防火墻中實(shí)現(xiàn)的連接跟蹤過(guò)程引起的，它們跟蹤通過(guò)它們的所有連接。

它們跟蹤通過(guò)它們的所有連接。由于這些機(jī)器的物理限制，它們只能在內(nèi)存中保留有限數(shù)量的連接。最常見(jiàn)和合乎邏輯的策略是保持最新的連接并首先丟棄舊的和不活動(dòng)的連接。

_____           _____                                     _____
   |     |         |     |                                   |     |
   |  A  |         | NAT |                                   |  B  |
   |_____|         |_____|                                   |_____|
      ^               ^                                         ^
      |--- >--- >--- >---|----------- SYN ------------- >--- >--- >---|
      |---< ---< ---< ---|--------- SYN/ACK -----------< ---< ---< ---|
      |--- >--- >--- >---|----------- ACK ------------- >--- >--- >---|
      |               |                                         |
      |               | < --- connection deleted from table      |
      |               |                                         |
      |--- >- PSH - >---| < --- invalid connection                 |
      |               |                                         |

Linux下使用TCP keepalive

Linux 內(nèi)置了對(duì) keepalive 的支持。涉及 keepalive 的過(guò)程使用三個(gè)用戶驅(qū)動(dòng)的變量，可以使用 cat 查看參數(shù)值。

前兩個(gè)參數(shù)以秒表示，最后一個(gè)是純數(shù)字。這意味著keepalive 例程在發(fā)送第一個(gè)keepalive 探測(cè)之前等待兩個(gè)小時(shí)（7200 秒），然后每75 秒重新發(fā)送一次。如果連續(xù)9次沒(méi)有收到 ACK 響應(yīng)，則連接被標(biāo)記為斷開(kāi)。

修改這個(gè)值很簡(jiǎn)單，可以這樣修改：

echo 7000 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time echo 40 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl echo 10 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes

還有另一種訪問(wèn)內(nèi)核變量的方法，使用 sysctl 命令

setsockopt 、getsockopt 函數(shù)調(diào)用

在 Linux 操作系統(tǒng)中，我們可以通過(guò)代碼啟用一個(gè) socket 的心跳檢測(cè)，為特定套接字啟用 keepalive 所需要做的就是在套接字本身上設(shè)置特定的套接字選項(xiàng)。函數(shù)原型如下：

int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                      void *optval, socklen_t *optlen);

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                      const void *optval, socklen_t optlen);

第一個(gè)參數(shù)是socket；第二個(gè)必須是 SOL_SOCKET，第三個(gè)必須是 SO_KEEPALIVE。第四個(gè)參數(shù)必須是布爾整數(shù)值，表示我們要啟用該選項(xiàng)，而最后一個(gè)是之前傳遞的值的大小。

在編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，還可以為 keepalive 設(shè)置其他三個(gè)套接字選項(xiàng)。它們都使用 SOL_TCP 級(jí)別而不是 SOL_SOCKET，并且它們僅針對(duì)當(dāng)前套接字覆蓋系統(tǒng)范圍的變量。如果不先寫(xiě)入就讀取，將返回當(dāng)前系統(tǒng)范圍的參數(shù)。

TCP_KEEPCNT：覆蓋 tcp_keepalive_probes
TCP_KEEPIDLE：覆蓋 tcp_keepalive_time
TCP_KEEPINTVL：覆蓋 tcp_keepalive_intvl

TCP keepalive 代碼實(shí)現(xiàn)

在寫(xiě)TCP keepalive 服務(wù)程序時(shí)，除了要處理SIGPIPE外，還要有客戶端連接檢測(cè)機(jī)制，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)崩潰的客戶端連接。我們使用TCP的 keepalive 機(jī)制方式。

tcp_keepalive_client：

int main(int argc, char *argv[])
{
 kat_arg0 = basename(argv[0]);
 bzero(&cp, sizeof (cp));
 cp.cp_keepalive = 1;
 cp.cp_keepidle = -1;
 cp.cp_keepcnt = -1;
 cp.cp_keepintvl = -1;

 while ((c = getopt(argc, argv, ":c:d:i:")) != -1) {
  switch (c) {
  case 'c':
   cp.cp_keepcnt = parse_positive_int_option(
       optopt, optarg);
   break;

  case 'd':
   cp.cp_keepidle = parse_positive_int_option(
       optopt, optarg);
   break;

  case 'i':
   cp.cp_keepintvl = parse_positive_int_option(
       optopt, optarg);
   break;

  case ':':
   warnx("option requires an argument: -%c", optopt);
   usage();
   break;

  case '?':
   warnx("unrecognized option: -%c", optopt);
   usage();
   break;
  }
 }

 if (optind > argc - 1) {
  warnx("missing required arguments");
  usage();
 }

 ipport = argv[optind++];
 if (parse_ip4port(ipport, &cp.cp_ip) == -1) {
  warnx("invalid IP/port: "%s"", ipport);
  usage();
 }

 (void) fprintf(stderr, "going connect to: %s port %dn",
     inet_ntoa(cp.cp_ip.sin_addr), ntohs(cp.cp_ip.sin_port));
 (void) fprintf(stderr, "set SO_KEEPALIVE  = %dn", cp.cp_keepalive);
 (void) fprintf(stderr, "set TCP_KEEPIDLE  = %dn", cp.cp_keepidle);
 (void) fprintf(stderr, "set TCP_KEEPCNT   = %dn", cp.cp_keepcnt);
 (void) fprintf(stderr, "set TCP_KEEPINTVL = %dn", cp.cp_keepintvl);
 rv = connectandwait(&cp);
 return (rv == 0 ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);
}

tcp_keepalive_server:

int main(int argc, char *argv[] )
{

   /* 創(chuàng)建套接字 */
   if((listen_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
      perror("socket()");
      exit(EXIT_FAILURE);
   }

   /* 檢查 keepalive 選項(xiàng)的狀態(tài)  */
   if(getsockopt(listen_sock, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, &optlen) < 0) {
      perror("getsockopt()");
      close(listen_sock);
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   printf("SO_KEEPALIVE default is %sn", (optval ? "ON" : "OFF"));

   /* 將選項(xiàng)設(shè)置為活動(dòng)  */
   optval = 1;
   optlen = sizeof(optval);

   if(setsockopt(listen_sock, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, optlen) < 0) {
      perror("setsockopt()");
      close(listen_sock);
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   printf("SO_KEEPALIVE set on socketn");

   /* 再次檢查狀態(tài)  */
   if(getsockopt(listen_sock, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &optval, &optlen) < 0) {
      perror("getsockopt()");
      close(listen_sock);
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   printf("TCP_KEEPIDLE is %dn", optval );
      /* 再次檢查狀態(tài)  */
   if(getsockopt(listen_sock, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, &optval, &optlen) < 0) {
      perror("getsockopt()");
      close(listen_sock);
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   printf("TCP_KEEPCNT is %dn", optval);
      /* 再次檢查狀態(tài)  */
   if(getsockopt(listen_sock, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, &optval, &optlen) < 0) {
      perror("getsockopt()");
      close(listen_sock);
      exit(EXIT_FAILURE);
   }
   printf("TCP_KEEPINTVL is %dn", optval );
  /* 初始化套接字結(jié)構(gòu) */
   bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
   int portno = atoi(argv[1]);
   serv_addr.sin_family = AF_INET;
   serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   serv_addr.sin_port = htons(portno);

  ...
 }

程序創(chuàng)建一個(gè) TCP 套接字并將 SO_KEEPALIVE 套接字選項(xiàng)設(shè)置為 1。如果指定了“-c”、“-d”和“-i”選項(xiàng)中的任何一個(gè)，則設(shè)置 TCP_KEEPCNT、TCP_KEEPIDLE 和 TCP_KEEPINTVL 套接字選項(xiàng) 在相應(yīng)選項(xiàng)參數(shù)的套接字上。

通過(guò)測(cè)試程序，我們可以使用tcpdump、或者tshark是命令行抓包工具，來(lái)分析KeepAlive。

tshark -nn -i lo port 5050 tcpdump -nn -i lo port 5050

tcpdump -nn -i lo port 5050

整個(gè)keepalive過(guò)程很簡(jiǎn)單，就是client給server發(fā)送一個(gè)包，server返回給用戶一個(gè)包。注意包內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)，只有ACK標(biāo)識(shí) 被打開(kāi)。

ps -aux | grep tcp_keepalive

總結(jié)

keepalive 是一個(gè)設(shè)備向另一個(gè)設(shè)備發(fā)送的消息，用于檢查兩者之間的鏈路是否正在運(yùn)行，或防止鏈路中斷。