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TCP Keepalive

叁叁肆2018-10-25 12:35

此文已由作者徐城利授权网易云社区发布。

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什么是TCP keepalive

TCP在设计上是一个有状态的可靠的协议，连接双方通过通过三次握手进入Established状态后，即使没有数据或中间网络出现中断的情况下一直保持连接，直到一方开始关闭连接。现实中往往会发生各种意外，导致连接没有正常关闭：

一个连接方因为掉电、系统崩溃等原因导致没有关闭连接
中间网络因为各种问题导致两方无法连通，如果硬件故障、网络掉了等
另外比较常见的是，如果中间网络上使用了NAT/防火墙等设备，往往需要对连接进行状态跟踪，而这些设备因为硬件上的限制，会丢弃掉一定时间不活跃的连接信息，也可能导致这条连接上的包被丢弃。

而按TCP协议的设计，Established状态下的socket在没有收到任何数据的情况下是可以保持非常长的时间 (Conntrack中默认对established的连接信息保持五天，socket看起来是没有超时机制的)，会造成资源的泄漏甚至影响新连接的建立，尤其在大流量的服务端更加明显。

为了解决这个问题，大部分操作系统的协议栈都提供了TCP keepalive功能(大部分默认情况下都是不使用)，用于解决上面提到的两个问题：

用于探测另外一端是否已经断开
定时发送数据对中间NAT/防火墙等设备中的连接信息保活

TCP keepalive如何工作

TCP keepalive是由操作系统层自动完成的，当keepalive的定时触发时，系统会往对端发送一个没有数据的ACK包(利用了协议中的Duplicate ACK)，对端在收到这个包后也会回复一个ACK，如果一定时间和次数内都没有收到对端的回复，那就可以认为连接已经断开。同时因为使用的标准的TCP行为，所以对端不需要做任何设置(即不用要求对端也一定要开启TCP keepalive)，而且上层应用也不会有任何感知和影响。 TCP keepalive有一般有几个参数：

Keepalive time：上次数据包发送后多少时间开始做检测(闲置时间)
Keepalive interval: 每次探测包之间间隔多少时间
Keepalive probes: 总共检测多少次才判断为连接断开

所以keepalive检测到连接断开的时间为： time + (probes - 1) * interval

什么时候使用TCP keepalive

TCP keepalive是操作系统提供的功能，而且对应用程序没有任务影响，最多产生少量的额外的网络流量，所以大部分情况下，除非有明确理由不希望使用它，开启TCP keepalive没有什么坏处。因为TCP keepalive只会检测连接本身，而没法检测上层应用本身有没有问题，因此应用本身对这方面有要求的话，就需要实现应用层的keepalive。当然，如果你的应用使用的不是TCP协议，自然TCP keepalive无从谈起了。

Linux下的TCP keepalive

Linux下默认创建的socket一般是没有启用TCP keepalive的，我们可以通过ss等命令来检查socket的option:

@dev-1~ ss -4to src :22State       Recv-Q Send-Q  Local Address:Port    Peer Address:Port
ESTAB       0      0        10.0.1.2:ssh         10.0.1.1:49460                 timer:(keepalive,12min,0)

而对于启用TCP keepalive的socket，系统通过proc和sysctl提供了配置默认参数的接口

procfs:

 @dev-1~ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time7200
 @dev-1~ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl75
 @dev-1~ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes9

sysctl:

 @dev-1~ sudo sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_keepalive
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200

如果不想使用全局的配置，也可以在代码中分别对每个socket进行设置

应用程序支持

自己开发的程序

在自己的代码中，可以通过setsockopt这个方法进行设置

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

在客户端创建socket或服务端通过accept获取到socket后，通过setsockopt启用keepalive

  /* Set the option active */
  optval = 1;
  optlen = sizeof(optval);  if (setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, optlen) < 0) {
      perror("setsockopt()");
      close(s);      exit(EXIT_FAILURE);
  }

也可以设置keepalive的几个参数

...setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, ...)    // probes
...setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, ...)    // time...setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, ...)    // interval