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12 | 连接无效：使用Keep-Alive还是应用心跳来检测？

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第12讲，欢迎回来。

上一篇文章中，我们讲到了如何使用close和shutdown来完成连接的关闭，在大多数情况下，我们会优选shutdown来完成对连接一个方向的关闭，待对端处理完之后，再完成另外一个方向的关闭。

在很多情况下，连接的一端需要一直感知连接的状态，如果连接无效了，应用程序可能需要报错，或者重新发起连接等。

在这一篇文章中，我将带你体验一下对连接状态的检测，并提供检测连接状态的最佳实践。

从一个例子开始

让我们用一个例子开始今天的话题。

我之前做过一个基于NATS消息系统的项目，多个消息的提供者 （pub）和订阅者（sub）都连到NATS消息系统，通过这个系统来完成消息的投递和订阅处理。

突然有一天，线上报了一个故障，一个流程不能正常处理。经排查，发现消息正确地投递到了NATS服务端，但是消息订阅者没有收到该消息，也没能做出处理，导致流程没能进行下去。

通过观察消息订阅者后发现，消息订阅者到NATS服务端的连接虽然显示是“正常”的，但实际上，这个连接已经是无效的了。为什么呢？这是因为NATS服务器崩溃过，NATS服务器和消息订阅者之间的连接中断FIN包，由于异常情况，没能够正常到达消息订阅者，这样造成的结果就是消息订阅者一直维护着一个“过时的”连接，不会收到NATS服务器发送来的消息。

这个故障的根本原因在于，作为NATS服务器的客户端，消息订阅者没有及时对连接的有效性进行检测，这样就造成了问题。

保持对连接有效性的检测，是我们在实战中必须要注意的一个点。

TCP Keep-Alive选项

很多刚接触TCP编程的人会惊讶地发现，在没有数据读写的“静默”的连接上，是没有办法发现TCP连接是有效还是无效的。比如客户端突然崩溃，服务器端可能在几天内都维护着一个无用的 TCP连接。前面提到的例子就是这样的一个场景。

那么有没有办法开启类似的“轮询”机制，让TCP告诉我们，连接是不是“活着”的呢？

这就是TCP保持活跃机制所要解决的问题。实际上，TCP有一个保持活跃的机制叫做Keep-Alive。

这个机制的原理是这样的：

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，每隔一个时间间隔，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得到响应，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。

上述的可定义变量，分别被称为保活时间、保活时间间隔和保活探测次数。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。

如果开启了TCP保活，需要考虑以下几种情况：

第一种，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。

第二种，对端程序崩溃并重启。当TCP保活的探测报文发送给对端后，对端是可以响应的，但由于没有该连接的有效信息，会产生一个RST报文，这样很快就会发现TCP连接已经被重置。

第三种，是对端程序崩溃，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。

TCP保活机制默认是关闭的，当我们选择打开时，可以分别在连接的两个方向上开启，也可以单独在一个方向上开启。如果开启服务器端到客户端的检测，就可以在客户端非正常断连的情况下清除在服务器端保留的“脏数据”；而开启客户端到服务器端的检测，就可以在服务器无响应的情况下，重新发起连接。

为什么TCP不提供一个频率很好的保活机制呢？我的理解是早期的网络带宽非常有限，如果提供一个频率很高的保活机制，对有限的带宽是一个比较严重的浪费。

应用层探活

如果使用TCP自身的keep-Alive机制，在Linux系统中，最少需要经过2小时11分15秒才可以发现一个“死亡”连接。这个时间是怎么计算出来的呢？其实是通过2小时，加上75秒乘以9的总和。实际上，对很多对时延要求敏感的系统中，这个时间间隔是不可接受的。

所以，必须在应用程序这一层来寻找更好的解决方案。

我们可以通过在应用程序中模拟TCP Keep-Alive机制，来完成在应用层的连接探活。

我们可以设计一个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，否则对探测次数进行计数，如果最终探测次数达到了保活探测次数预先设置的值之后，则认为连接已经无效。

这里有两个比较关键的点：

第一个是需要使用定时器，这可以通过使用I/O复用自身的机制来实现；第二个是需要设计一个PING-PONG的协议。

下面我们尝试来完成这样的一个设计。

消息格式设计

我们的程序是客户端来发起保活，为此定义了一个消息对象。你可以看到这个消息对象，这个消息对象是一个结构体，前4个字节标识了消息类型，为了简单，这里设计了MSG_PING、MSG_PONG、MSG_TYPE 1和MSG_TYPE 2四种消息类型。

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

客户端程序设计

客户端完全模拟TCP Keep-Alive的机制，在保活时间达到后，探活次数增加1，同时向服务器端发送PING格式的消息，此后以预设的保活时间间隔，不断地向服务器端发送PING格式的消息。如果能收到服务器端的应答，则结束保活，将保活时间置为0。

这里我们使用select I/O复用函数自带的定时器，select函数将在后面详细介绍。

#include "lib/common.h"
#include "message_objecte.h"

#define    MAXLINE     4096
#define    KEEP_ALIVE_TIME  10
#define    KEEP_ALIVE_INTERVAL  3
#define    KEEP_ALIVE_PROBETIMES  3


int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: tcpclient <IPaddress>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
    int connect_rt = connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
    if (connect_rt < 0) {
        error(1, errno, "connect failed ");
    }

    char recv_line[MAXLINE + 1];
    int n;

    fd_set readmask;
    fd_set allreads;

    struct timeval tv;
    int heartbeats = 0;

    tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
    tv.tv_usec = 0;

    messageObject messageObject;

    FD_ZERO(&allreads);
    FD_SET(socket_fd, &allreads);
    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, &tv);
        if (rc < 0) {
            error(1, errno, "select failed");
        }
        if (rc == 0) {
            if (++heartbeats > KEEP_ALIVE_PROBETIMES) {
                error(1, 0, "connection dead\n");
            }
            printf("sending heartbeat #%d\n", heartbeats);
            messageObject.type = htonl(MSG_PING);
            rc = send(socket_fd, (char *) &messageObject, sizeof(messageObject), 0);
            if (rc < 0) {
                error(1, errno, "send failure");
            }
            tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_INTERVAL;
            continue;
        }
        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "read error");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "server terminated \n");
            }
            printf("received heartbeat, make heartbeats to 0 \n");
            heartbeats = 0;
            tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
        }
    }
}

这个程序主要分成三大部分：

第一部分为套接字的创建和连接建立：

• 15-16行，创建了TCP套接字；
• 18-22行，创建了IPv4目标地址，其实就是服务器端地址，注意这里使用的是传入参数作为服务器地址；
• 24-28行，向服务器端发起连接。

第二部分为select定时器准备：

• 39-40行，设置了超时时间为KEEP_ALIVE_TIME，这相当于保活时间；
• 44-45行，初始化select函数的套接字。

最重要的为第三部分，这一部分需要处理心跳报文：

• 48行调用select函数，感知I/O事件。这里的I/O事件，除了套接字上的读操作之外，还有在39-40行设置的超时事件。当KEEP_ALIVE_TIME这段时间到达之后，select函数会返回0，于是进入53-63行的处理；
• 在53-63行，客户端已经在KEEP_ALIVE_TIME这段时间内没有收到任何对当前连接的反馈，于是发起PING消息，尝试问服务器端：“喂，你还活着吗？”这里我们通过传送一个类型为MSG_PING的消息对象来完成PING操作，之后我们会看到服务器端程序如何响应这个PING操作；
• 第65-74行是客户端在接收到服务器端程序之后的处理。为了简单，这里就没有再进行报文格式的转换和分析。在实际的工作中，这里其实是需要对报文进行解析后处理的，只有是PONG类型的回应，我们才认为是PING探活的结果。这里认为既然收到服务器端的报文，那么连接就是正常的，所以会对探活计数器和探活时间都置零，等待下一次探活时间的来临。

服务器端程序设计

服务器端的程序接受一个参数，这个参数设置的比较大，可以模拟连接没有响应的情况。服务器端程序在接收到客户端发送来的各种消息后，进行处理，其中如果发现是PING类型的消息，在休眠一段时间后回复一个PONG消息，告诉客户端：“嗯，我还活着。”当然，如果这个休眠时间很长的话，那么客户端就无法快速知道服务器端是否存活，这是我们模拟连接无响应的一个手段而已，实际情况下，应该是系统崩溃，或者网络异常。

#include "lib/common.h"
#include "message_objecte.h"

static int count;

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: tcpsever <sleepingtime>");
    }

    int sleepingTime = atoi(argv[1]);

    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    int connfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    messageObject message;
    count = 0;

    for (;;) {
        int n = read(connfd, (char *) &message, sizeof(messageObject));
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }

        printf("received %d bytes\n", n);
        count++;

        switch (ntohl(message.type)) {
            case MSG_TYPE1 :
                printf("process  MSG_TYPE1 \n");
                break;

            case MSG_TYPE2 :
                printf("process  MSG_TYPE2 \n");
                break;

            case MSG_PING: {
                messageObject pong_message;
                pong_message.type = MSG_PONG;
                sleep(sleepingTime);
                ssize_t rc = send(connfd, (char *) &pong_message, sizeof(pong_message), 0);
                if (rc < 0)
                    error(1, errno, "send failure");
                break;
            }

            default :
                error(1, 0, "unknown message type (%d)\n", ntohl(message.type));
        }

    }

}

服务器端程序主要分为两个部分。

第一部分为监听过程的建立，包括7-38行； 第13-14行先创建一个本地TCP监听套接字；16-20行绑定该套接字到本地端口和ANY地址上；第27-38行分别调用listen和accept完成被动套接字转换和监听。

第二部分为43行到77行，从建立的连接套接字上读取数据，解析报文，根据消息类型进行不同的处理。

• 55-57行为处理MSG_TYPE1的消息；
• 59-61行为处理MSG_TYPE2的消息；
• 重点是64-72行处理MSG_PING类型的消息。通过休眠来模拟响应是否及时，然后调用send函数发送一个PONG报文，向客户端表示“还活着”的意思；
• 74行为异常处理，因为消息格式不认识，所以程序出错退出。

实验

基于上面的程序设计，让我们分别做两个不同的实验：

第一次实验，服务器端休眠时间为60秒。

我们看到，客户端在发送了三次心跳检测报文PING报文后，判断出连接无效，直接退出了。之所以造成这样的结果，是因为在这段时间内没有接收到来自服务器端的任何PONG报文。当然，实际工作的程序，可能需要不一样的处理，比如重新发起连接。

$./pingclient 127.0.0.1
sending heartbeat #1
sending heartbeat #2
sending heartbeat #3
connection dead

$./pingserver 60
received 1028 bytes
received 1028 bytes

第二次实验，我们让服务器端休眠时间为5秒。

我们看到，由于这一次服务器端在心跳检测过程中，及时地进行了响应，客户端一直都会认为连接是正常的。

$./pingclient 127.0.0.1
sending heartbeat #1
sending heartbeat #2
received heartbeat, make heartbeats to 0
received heartbeat, make heartbeats to 0
sending heartbeat #1
sending heartbeat #2
received heartbeat, make heartbeats to 0
received heartbeat, make heartbeats to 0

$./pingserver 5
received 1028 bytes
received 1028 bytes
received 1028 bytes
received 1028 bytes

总结

通过今天的文章，我们能看到虽然TCP没有提供系统的保活能力，让应用程序可以方便地感知连接的存活，但是，我们可以在应用程序里灵活地建立这种机制。一般来说，这种机制的建立依赖于系统定时器，以及恰当的应用层报文协议。比如，使用心跳包就是这样一种保持Keep Alive的机制。

思考题

和往常一样，我留两道思考题：

你可以看到今天的内容主要是针对TCP的探活，那么你觉得这样的方法是否同样适用于UDP呢？

第二道题是，有人说额外的探活报文占用了有限的带宽，对此你是怎么想的呢？而且，为什么需要多次探活才能决定一个TCP连接是否已经死亡呢？

欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起交流。也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，与他们一起讨论一下这两个问题吧。