【TCP/IP详解】TCP保活机制

2024-03-09 13:32
文章标签 ip 详解 tcp 机制 保活

本文主要是介绍【TCP/IP详解】TCP保活机制,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

在需要长连接的网络通信程序中,经常需要心跳检测机制,来实现检测对方是否在线或者维持网络连接的需要。这一机制是在应用层实现的,对应的,在TCP协议中,也有类似的机制,就是TCP保活机制。


一、为什么需要保活机制?

设想这种情况,TCP连接建立后,在一段时间范围内双发没有互相发送任何数据。思考以下两个问题:

  1. 怎么判断对方是否还在线。这是因为,TCP对于非正常断开的连接系统并不能侦测到(比如网线断掉)。
  2. 长时间没有任何数据发送,连接可能会被中断。这是因为,网络连接中间可能会经过路由器、防火墙等设备,而这些有可能会对长时间没有活动的连接断掉。

基于上面两点考虑,需要保活机制。

二、TCP保活机制的实现(Linux)

保活机制是由一个保活计时器实现的。当计时器被激发,连接一段将发送一个保活探测报文,另一端接收报文的同时会发送一个ACK作为响应。

1、相关配置

具体实现上有以下几个相关的配置:

  • 保活时间:默认7200秒(2小时)
  • 保活时间间隔:默认75秒
  • 保活探测数:默认9次

查看Linux系统中TCP保活机制对应的系统配置如下(不同系统实现可能不同):

sl@Li:/proc/sys/net/ipv4$ cat tcp_keepalive_time 
7200
sl@Li:/proc/sys/net/ipv4$ cat tcp_keepalive_intvl 
75
sl@Li:/proc/sys/net/ipv4$ cat tcp_keepalive_probes 
9
2、过程描述

连接中启动保活功能的一端,在保活时间内连接处于非活动状态,则向对方发送一个保活探测报文,如果收到响应,则重置保活计时器,如果没有收到响应报文,则经过一个保活时间间隔后再次向对方发送一个保活探测报文,如果还没有收到响应报文,则继续,直到发送次数到达保活探测数,此时,对方主机将被确认为不可到达,连接被中断。

TCP保活功能工作过程中,开启该功能的一端会发现对方处于以下四种状态之一:

  1. 对方主机仍在工作,并且可以到达。此时请求端将保活计时器重置。如果在计时器超时之前应用程序通过该连接传输数据,计时器再次被设定为保活时间值。
  2. 对方主机已经崩溃,包括已经关闭或者正在重新启动。这时对方的TCP将不会响应。请求端不会接收到响应报文,并在经过保活时间间隔指定的时间后超时。超时前,请求端会持续发送探测报文,一共发送保活探测数指定次数的探测报文,如果请求端没有收到任何探测报文的响应,那么它将认为对方主机已经关闭,连接也将被断开。
  3. 客户主机崩溃并且已重启。在这种情况下,请求端会收到一个对其保活探测报文的响应,但这个响应是一个重置报文段RST,请求端将会断开连接。
  4. 对方主机仍在工作,但是由于某些原因不能到达请求端(例如网络无法传输,而且可能使用ICMP通知也可能不通知对方这一事实)。这种情况与状态2相同,因为TCP不能区分状态2与状态4,结果是都没有收到探测报文的响应。
三、保活机制的弊端

理解了上面的实现,就可以发现其存在以下两点主要弊端:

  1. 在出现短暂的网络错误的时候,保活机制会使一个好的连接断开;
  2. 保活机制会占用不必要的带宽;

所以,保活机制是存在争议的,主要争议之处在于是否应在TCP协议层实现,有两种主要观点:其一,保活机制不必在TCP协议中提供,而应该有应用层实现;其二,认为大多数应用都需要保活机制,应该在TCP协议层实现。

保活功能在默认情况下是关闭的。没有经过应用层的请求,Linux系统不会提供保活功能。

四、保活机制应用代码示例
1、 服务端代码
/* server */
#include<sys/epoll.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<netinet/tcp.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>
#include <sys/time.h>#define MAX_EVENTS 1024
#define LISTEN_PORT 33333
#define MAX_BUF 65536struct echo_data;
int setnonblocking(int sockfd);
int events_handle(int epfd, struct epoll_event ev);
void run();// 应用TCP保活机制的相关代码
int set_keepalive(int sockfd, int keepalive_time, int keepalive_intvl, int keepalive_probes) {int optval;socklen_t optlen = sizeof(optval);optval = 1;if (-1 == setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, optlen)) {perror("setsockopt failure.");return -1;}optval = keepalive_probes;if (-1 == setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, &optval, optlen)) {perror("setsockopt failure.");return -1;}optval = keepalive_intvl;if (-1 == setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, &optval, optlen)) {perror("setsockopt failure.");return -1;}optval = keepalive_time;if (-1 == setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, &optval, optlen)) {perror("setsockopt failure.");return -1;}
}int main(int _argc, char* _argv[]) {run();return 0;
}void run() {int epfd = epoll_create1(0);if (-1 == epfd) {perror("epoll_create1 failure.");exit(EXIT_FAILURE);}char str[INET_ADDRSTRLEN];struct sockaddr_in seraddr, cliaddr;socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&seraddr, sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);seraddr.sin_port = htons(LISTEN_PORT);int opt = 1;setsockopt(listen_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));if (-1 == bind(listen_sock, (struct sockaddr*)&seraddr, sizeof(seraddr))) {perror("bind server addr failure.");exit(EXIT_FAILURE);}listen(listen_sock, 5);struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = listen_sock;if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev)) {perror("epoll_ctl add listen_sock failure.");exit(EXIT_FAILURE);}int nfds = 0;while (1) {nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);if (-1 == nfds) {perror("epoll_wait failure.");exit(EXIT_FAILURE);}for ( int n = 0; n < nfds; ++n) {if (events[n].data.fd == listen_sock) {int conn_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);if (-1 == conn_sock) {perror("accept failure.");exit(EXIT_FAILURE);}printf("accept from %s:%d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));set_keepalive(conn_sock, 120, 20, 3);setnonblocking(conn_sock);ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = conn_sock;if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev)) {perror("epoll_ctl add conn_sock failure.");exit(EXIT_FAILURE);}} else {events_handle(epfd, events[n]);}}}close(listen_sock);close(epfd);
}int setnonblocking(int sockfd){if (fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, 0)|O_NONBLOCK) == -1) {return -1;}return 0;
}struct echo_data {char* data;int fd;
};int events_handle(int epfd, struct epoll_event ev) {printf("events_handle, ev.events = %d\n", ev.events);int fd = ev.data.fd;if (ev.events & EPOLLIN) {char* buf = (char*)malloc(MAX_BUF);bzero(buf, MAX_BUF);int count = 0;int n = 0;while (1) {n = read(fd, (buf + count), 1024);printf("step in edge_trigger, read bytes:%d\n", n);if (n > 0) {count += n;} else if (0 == n) {break;} else if (n < 0 && EAGAIN == errno) {perror("errno == EAGAIN, break.");break;} else {perror("read failure.");if (ETIMEDOUT == errno) {if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev)) {perror("epoll_ctl del fd failure.");exit(EXIT_FAILURE);}close(fd);return 0;}exit(EXIT_FAILURE);}}if (0 == count) {if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev)) {perror("epoll_ctl del fd failure.");exit(EXIT_FAILURE);}close(fd);return 0;}printf("recv from client: %s\n", buf);struct echo_data* ed = (struct echo_data*)malloc(sizeof(struct echo_data));ed->data = buf;ed->fd = fd;ev.data.ptr = ed;ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev)) {perror("epoll_ctl modify fd failure.");exit(EXIT_FAILURE);}return 0;} else if (ev.events & EPOLLOUT) {struct echo_data* data = (struct echo_data*)ev.data.ptr;printf("write data to client: %s", data->data);int ret = 0;int send_pos = 0;const int total = strlen(data->data);char* send_buf = data->data;while(1) {ret = write(data->fd, (send_buf + send_pos), total - send_pos);if (ret < 0) {if (EAGAIN == errno) {sched_yield();continue;}perror("write failure.");exit(EXIT_FAILURE);}send_pos += ret;if (total == send_pos) {break;}}ev.data.fd = data->fd;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;if (-1 == epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, data->fd, &ev)) {perror("epoll_ctl modify fd failure.");exit(EXIT_FAILURE);}free(data->data);free(data);}return 0;
}
2、客户端代码
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netdb.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include<stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>#define SERVER_PORT 33333
#define MAXLEN 65535void client_handle(int sock);int main(int argc, char* argv[]) {for (int i = 1; i < argc; ++i) {printf("input args %d: %s\n", i, argv[i]);}struct sockaddr_in seraddr;int server_port = SERVER_PORT;if (2 == argc) {server_port = atoi(argv[1]);}int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&seraddr, sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr);seraddr.sin_port = htons(server_port);connect(sock, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));client_handle(sock);return 0;
}void client_handle(int sock) {char sendbuf[MAXLEN], recvbuf[MAXLEN];bzero(sendbuf, MAXLEN);bzero(recvbuf, MAXLEN);int n = 0;while (1) {if (NULL == fgets(sendbuf, MAXLEN, stdin)) {break;}// 按`#`号退出if ('#' == sendbuf[0]) {break;}struct timeval start, end;gettimeofday(&start, NULL);write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf));n = read(sock, recvbuf, MAXLEN);if (0 == n) {break;}write(STDOUT_FILENO, recvbuf, n);gettimeofday(&end, NULL);printf("time diff=%ld microseconds\n", ((end.tv_sec * 1000000 + end.tv_usec)- (start.tv_sec * 1000000 + start.tv_usec)));}close(sock);
}

只要连接后,不输入数据,连接就没有数据发送,通过抓包可以发现每120秒就会有保活探测报文发出:
保活机制
如果一直没有收到回复,会中断连接(RST)。
在这里插入图片描述

参考文档:Requirements for Internet Hosts – Communication Layers

这篇关于【TCP/IP详解】TCP保活机制的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/790818

相关文章

Linux换行符的使用方法详解

《Linux换行符的使用方法详解》本文介绍了Linux中常用的换行符LF及其在文件中的表示,展示了如何使用sed命令替换换行符,并列举了与换行符处理相关的Linux命令,通过代码讲解的非常详细,需要的... 目录简介检测文件中的换行符使用 cat -A 查看换行符使用 od -c 检查字符换行符格式转换将

详解C#如何提取PDF文档中的图片

《详解C#如何提取PDF文档中的图片》提取图片可以将这些图像资源进行单独保存,方便后续在不同的项目中使用,下面我们就来看看如何使用C#通过代码从PDF文档中提取图片吧... 当 PDF 文件中包含有价值的图片,如艺术画作、设计素材、报告图表等,提取图片可以将这些图像资源进行单独保存,方便后续在不同的项目中使

Android中Dialog的使用详解

《Android中Dialog的使用详解》Dialog(对话框)是Android中常用的UI组件,用于临时显示重要信息或获取用户输入,本文给大家介绍Android中Dialog的使用,感兴趣的朋友一起... 目录android中Dialog的使用详解1. 基本Dialog类型1.1 AlertDialog(

C#数据结构之字符串(string)详解

《C#数据结构之字符串(string)详解》:本文主要介绍C#数据结构之字符串(string),具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录转义字符序列字符串的创建字符串的声明null字符串与空字符串重复单字符字符串的构造字符串的属性和常用方法属性常用方法总结摘

Java中StopWatch的使用示例详解

《Java中StopWatch的使用示例详解》stopWatch是org.springframework.util包下的一个工具类,使用它可直观的输出代码执行耗时,以及执行时间百分比,这篇文章主要介绍... 目录stopWatch 是org.springframework.util 包下的一个工具类,使用它

Java进行文件格式校验的方案详解

《Java进行文件格式校验的方案详解》这篇文章主要为大家详细介绍了Java中进行文件格式校验的相关方案,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录一、背景异常现象原因排查用户的无心之过二、解决方案Magandroidic Number判断主流检测库对比Tika的使用区分zip

Java实现时间与字符串互相转换详解

《Java实现时间与字符串互相转换详解》这篇文章主要为大家详细介绍了Java中实现时间与字符串互相转换的相关方法,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录一、日期格式化为字符串(一)使用预定义格式(二)自定义格式二、字符串解析为日期(一)解析ISO格式字符串(二)解析自定义

springboot security快速使用示例详解

《springbootsecurity快速使用示例详解》:本文主要介绍springbootsecurity快速使用示例,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝... 目录创www.chinasem.cn建spring boot项目生成脚手架配置依赖接口示例代码项目结构启用s

Python中随机休眠技术原理与应用详解

《Python中随机休眠技术原理与应用详解》在编程中,让程序暂停执行特定时间是常见需求,当需要引入不确定性时,随机休眠就成为关键技巧,下面我们就来看看Python中随机休眠技术的具体实现与应用吧... 目录引言一、实现原理与基础方法1.1 核心函数解析1.2 基础实现模板1.3 整数版实现二、典型应用场景2

一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化

《一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化》SpringBoot的响应压缩功能基于智能协商机制,需同时满足很多条件,本文主要为大家详细介绍了SpringBoot响应压缩功能的配置与优化,需... 目录一、核心工作机制1.1 自动协商触发条件1.2 压缩处理流程二、配置方案详解2.1 基础YAML