TCP Keepalive

TCP keepalive是 TCP 的保活机制，从 HTTP 1.1 开始， 就默认是开启了 Keep-Alive。

TCP长连接下，客户端和服务器若长时间无数据交互情况下，若一方出现异常情况关闭连接，或是连接中间路由出于某种机制断开连接，而此时另一方不知道对方状态而一直维护连接，浪费系统资源的同时，也会引起下次数据交互时出错。

为了解决此问题，引入了TCP Keepalive机制。其基本原理是在此机制开启时，当长连接无数据交互一定时间间隔时，连接的一方会向对方发送保活探测包，如连接仍正常，对方将对此确认回应。

如果两端的 TCP 连接一直没有数据交互，达到了触发 TCP 保活机制的条件，那么内核里的 TCP 协议栈就会发送探测报文。

  • 如果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。
  • 如果对端主机崩溃，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。

所以，TCP 保活机制可以在双方没有数据交互的情况，通过探测报文，来确定对方的 TCP 连接是否存活。

参数

TCP KeepAlive机制主要涉及3个参数：

  • tcp_keepalive_time (integer; default: 7200; since Linux 2.2)
    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_keepalive_probes (integer; default: 9; since Linux 2.2)
    在tcp_keepalive_time之后，最大允许发送保活探测包的次数，到达此次数后直接放弃尝试，并关闭连接，默认值为9（次）

  • tcp_keepalive_intvl (integer; default: 75; since Linux 2.4)
    在tcp_keepalive_time之后，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。

也就是说再linux系统中，最少经过2个小时11分15秒才会有一个死亡连接。

报文格式

TCP KeepAlive探测报文是一种没有任何数据，同时ACK标志被置上的报文，报文中的序列号为上次发生数据交互时TCP报文序列号减1。比如上次本端和对端数据交互的最后时刻，对端回应给本端的ACK报文序列号为 N（即下次本端向对端发送数据，序列号应该为N），则本端向对端发送的保活探测报文序列号应该为 N-1。

TCP 连接，一端断电和进程崩溃有什么区别？

这个问题有几个关键词：

  • 没有开启 keepalive；
  • 一直没有数据交互；
  • 进程崩溃；
  • 主机崩溃；

Q1: 在没有开启 TCP keepalive，且双方一直没有数据交互的情况下，如果客户端的「主机崩溃」了，会发生什么？

由于客户端主机断电崩溃了，数据传输层不工作了，服务端是无法感知到的，在加上服务端没有开启 TCP keepalive，又没有数据交互的情况下，服务端的 TCP 连接将会一直处于 ESTABLISHED 连接状态，直到服务端重启进程。

所以可以得知一个点，在没有使用 TCP 保活机制且双方不传输数据的情况下，一方的 TCP 连接处在 ESTABLISHED 状态，并不代表另一方的连接还一定正常。

Q2: 如果是进程崩溃了，会发生什么？

TCP 的连接信息是由内核维护的，所以当服务端的进程崩溃后，内核需要回收该进程的所有 TCP 连接资源，于是内核会发送第一次挥手 FIN 报文，后续的挥手过程也都是在内核完成，并不需要进程的参与，所以即使服务端的进程退出了，还是能与客户端完成 TCP四次挥手的过程。

做实验，使用 kill -9 来模拟进程崩溃的情况，发现在 kill 掉进程后，服务端会发送 FIN 报文，与客户端进行四次挥手。

所以，即使没有开启 TCP keepalive，且双方也没有数据交互的情况下，如果其中一方的进程发生了崩溃，这个过程操作系统是可以感知的到的，于是就会发送 FIN 报文给对方，然后与对方进行 TCP 四次挥手。

有数据传输的场景

客户端主机宕机，又迅速重启，会发生什么？

在客户端主机宕机后，服务端向客户端发送的报文会得不到任何的响应，在一定时长后，服务端就会触发超时重传机制，重传未得到响应的报文。

服务端重传报文的过程中，客户端主机重启完成后，客户端的内核就会接收重传的报文，然后根据报文的信息传递给对应的进程：

  • 如果客户端主机上没有进程绑定该 TCP 报文的目标端口号，那么客户端内核就会回复 RST 报文，重置该 TCP 连接；
  • 如果客户端主机上有进程绑定该 TCP 报文的目标端口号，由于客户端主机重启后，之前的 TCP 连接的数据结构已经丢失了，客户端内核里协议栈会发现找不到该 TCP 连接的 socket 结构体，于是就会回复 RST 报文，重置该 TCP 连接。

所以，只要有一方重启完成后，收到之前 TCP 连接的报文，都会回复 RST 报文，以断开连接。

客户端主机宕机，一直没有重启？

这种情况，服务端超时重传报文的次数达到一定阈值后，内核就会判定出该 TCP 有问题，然后通过 Socket 接口告诉应用程序该 TCP 连接出问题了，于是服务端的 TCP 连接就会断开。

TCP Keepalive VS HTTP Keep-Alive

  • HTTP 的 Keep-Alive，是由应用层（用户态） 实现的，称为 HTTP 长连接；
  • TCP 的 Keepalive，是由 TCP 层（内核态） 实现的，称为 TCP 保活机制；

HTTP 的 Keep-Alive

HTTP 协议采用的是「请求-应答」的模式，也就是客户端发起了请求，服务端才会返回响应。由于 HTTP 是基于 TCP 传输协议实现的，客户端与服务端要进行 HTTP 通信前，需要先建立 TCP 连接，然后客户端发送 HTTP 请求，服务端收到后就返回响应，至此「请求-应答」的模式就完成了，随后就会释放 TCP 连接。

如果每次请求都要经历这样的过程：建立 TCP -> 请求资源 -> 响应资源 -> 释放连接，那么此方式就是 HTTP 短连接，如下图：

这样一次连接只能请求一次资源。

能不能在第一个 HTTP 请求完后，先不断开 TCP 连接，让后续的 HTTP 请求继续使用此连接？

当然可以，HTTP 的 Keep-Alive 就是实现了这个功能，可以使用同一个 TCP 连接来发送和接收多个 HTTP 请求/应答，避免了连接建立和释放的开销，这个方法称为 HTTP 长连接。

HTTP 长连接的特点是，只要任意一端没有明确提出断开连接，则保持 TCP 连接状态。

怎么才能使用 HTTP 的 Keep-Alive 功能？

在 HTTP 1.0 中默认是关闭的，如果浏览器要开启 Keep-Alive，它必须在请求的包头中添加：

1
Connection: Keep-Alive

然后当服务器收到请求，作出回应的时候，它也添加一个头在响应中：

1
Connection: Keep-Alive

这样做，连接就不会中断，而是保持连接。当客户端发送另一个请求时，它会使用同一个连接。这一直继续到客户端或服务器端提出断开连接。

从 HTTP 1.1 开始， 就默认是开启了 Keep-Alive，如果要关闭 Keep-Alive，需要在 HTTP 请求的包头里添加：

1
Connection:close

现在大多数浏览器都默认是使用 HTTP/1.1，所以 Keep-Alive 都是默认打开的。一旦客户端和服务端达成协议，那么长连接就建立好了。

HTTP 长连接不仅仅减少了 TCP 连接资源的开销，而且这给 HTTP 流水线技术提供了可实现的基础。

所谓的 HTTP 流水线，是客户端可以先一次性发送多个请求，而在发送过程中不需先等待服务器的回应，可以减少整体的响应时间。

举例来说，客户端需要请求两个资源。以前的做法是，在同一个 TCP 连接里面，先发送 A 请求，然后等待服务器做出回应，收到后再发出 B 请求。HTTP 流水线机制则允许客户端同时发出 A 请求和 B 请求。

但是服务器还是按照顺序响应，先回应 A 请求，完成后再回应 B 请求。

而且要等服务器响应完客户端第一批发送的请求后，客户端才能发出下一批的请求，也就说如果服务器响应的过程发生了阻塞，那么客户端就无法发出下一批的请求，此时就造成了「队头阻塞」的问题。

可能有的同学会问，如果使用了 HTTP 长连接，如果客户端完成一个 HTTP 请求后，就不再发起新的请求，此时这个 TCP 连接一直占用着不是挺浪费资源的吗？

对没错，所以为了避免资源浪费的情况，web 服务软件一般都会提供 keepalive_timeout 参数，用来指定 HTTP 长连接的超时时间。

比如设置了 HTTP 长连接的超时时间是 60 秒，web 服务软件就会启动一个定时器，如果客户端在完后一个 HTTP 请求后，在 60 秒内都没有再发起新的请求，定时器的时间一到，就会触发回调函数来释放该连接。

TCP 的 Keepalive

TCP 的 Keepalive 这东西其实就是 TCP 的保活机制，它的工作原理我之前的文章写过，这里就直接贴下以前的内容。

如果两端的 TCP 连接一直没有数据交互，达到了触发 TCP 保活机制的条件，那么内核里的 TCP 协议栈就会发送探测报文。

  • 如果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。
  • 如果对端主机宕机（注意不是进程崩溃，进程崩溃后操作系统在回收进程资源的时候，会发送 FIN 报文，而主机宕机则是无法感知的，所以需要 TCP 保活机制来探测对方是不是发生了主机宕机），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。

所以，TCP 保活机制可以在双方没有数据交互的情况，通过探测报文，来确定对方的 TCP 连接是否存活，这个工作是在内核完成的。

注意，应用程序若想使用 TCP 保活机制需要通过 socket 接口设置 SO_KEEPALIVE 选项才能够生效，如果没有设置，那么就无法使用 TCP 保活机制。

总结

HTTP 的 Keep-Alive 也叫 HTTP 长连接，该功能是由「应用程序」实现的，可以使得用同一个 TCP 连接来发送和接收多个 HTTP 请求/应答，减少了 HTTP 短连接带来的多次 TCP 连接建立和释放的开销。

TCP 的 Keepalive 也叫 TCP 保活机制，该功能是由「内核」实现的，当客户端和服务端长达一定时间没有进行数据交互时，内核为了确保该连接是否还有效，就会发送探测报文，来检测对方是否还在线，然后来决定是否要关闭该连接。