TCP KeepAlive 机制详解

TCP Keep-Alive 的原理

一个 TCP 连接上，如果通信双方都不向对方发送数据，那么 TCP 连接就不会有任何数据交换。

假设应用程序是一个 web 服务器，客户端发出三次握手（关于握手与挥手的详细过程，可以参看本站的《三次握手与四次挥手》）以后故障宕机或被踢掉网线，对于 web 服务器而言，下一个数据包将永远无法到来，但是它一无所知。TCP Keep-Alive 机制就是为了解决这个问题。顺带一提，拔掉网线的瞬间连接并不会立即断开，具体原因可以看本站的《拔掉网线后，TCP 连接还在吗》。

TCP Keep-Alive 机制就是一种确保 TCP 连接有效性的方法，主要用于检测长时间没有数据交换的连接是否仍然存活。

它的作用就是探测对端的连接有没有失效：通过定时发送探测包来探测连接的对端是否存活。不过默认情况下需要 7200s 没有数据包交互才会发送 keepalive 探测包，往往这个时间太久了，我们熟知的很多组件都没有开启 keepalive 特性，而是选择在应用层做心跳机制。

一般情况下，做服务器开发，都会在应用层自己做心跳机制。例如一个心跳包结构体：

enum MsgType{
    HEARTBEAT = 10,
    LOGIN = 11,
    LOGOUT = 12,
    ...
};

struct MyHeader{
    MyHeader()
    {
        memset(this, 0, sizeof(*this));
        usLen = sizeof(*this);
    }
    uint16_t usLen;
    int cType;
};

struct MyMsgHeart : public MyHeader{
    MyMsgHeart()
    {
        memset(this, 0, sizeof(MyMsgHeart));
        usLen = sizeof(MyMsgHeart);
        cType = HEARTBEAT;
    }
};

TCP Keep-Alive 系统内核参数

查询命令如下：

sysctl -a | grep keepalive

三个参数的含义如下：

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75    //没有接收到对方确认，继续发送保活探测包的发送频率，默认值为75s
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9    //没有接收到对方确认，继续发送保活探测包次数
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200   //在TCP保活打开的情况下，最后一次数据交换到TCP发送第一个保活探测包的间隔，即允许的持续空闲时长，或者说每次正常发送心跳的周期，默认值为7200s（2h）

TCP Keep-Alive 不是默认启用的，需要在创建套接字时显式设置，通常是通过套接字选项 SO_KEEPALIVE 来开启。

C/C++ 中，通过 setsockopt 设置 keepalive 开关（默认 socket 是关闭 keepalive 的）：

int optval = 1;
::setsockopt(hSocket, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY,
    &optval, static_cast<socklen_t>(sizeof optval));
::setsockopt(hSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
    &optval, static_cast<socklen_t>(sizeof optval));
::setsockopt(hSocket, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE,
    &optval, static_cast<socklen_t>(sizeof optval));  //这里打开Keep-Alive

注意这里只是打开了 SO_KEEPALIVE 开关，探测的节奏并不会随之改变：不做额外设置的话，内核就按上面三个参数的默认值来工作——7200s 空闲后开始探测，每 75s 一次，共 9 次。示例里顺带设置的 TCP_NODELAY、SO_REUSEADDR 与保活无关。如果想在套接字级别自定义探测节奏，可以用 TCP_KEEPIDLE、TCP_KEEPINTVL、TCP_KEEPCNT 这三个选项（IPPROTO_TCP 层级）分别覆盖空闲时长、探测间隔和探测次数。