TCP keepalive 详解

TCP keep-alive的三个参数

tcp_keepalive_intvl (integer; default: 75; since Linux 2.4)
       The number of seconds between TCP keep-alive probes.

tcp_keepalive_probes (integer; default: 9; since Linux 2.2)
       The  maximum  number  of  TCP  keep-alive  probes  to send before giving up and killing the connection if no
       response is obtained from the other end.

tcp_keepalive_time (integer; default: 7200; since Linux 2.2)
       The number of seconds a connection needs to be idle before TCP begins sending out keep-alive probes.   Keep-
       alives  are  sent only when the SO_KEEPALIVE socket option is enabled.  The default value is 7200 seconds (2
       hours).  An idle connection is terminated after approximately an additional 11 minutes (9 probes an interval
       of 75 seconds apart) when keep-alive is enabled.

可以直接用cat来查看文件的内容，就可以知道配置的值了。
也可以通过sysctl命令来查看和修改：

# 查询
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_time
#修改
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_time=3600

# sysctl其他命令
sysctl  -a  //显示当前所有可用的内核参数
sysctl  -p  //从配置文件sysctl.conf中加载内核参数

在 socket 编程中，我们对指定的 socket 添加 SO_KEEPALIVE 这个 option，这个 socket 便可以启用 KeepAlive 功能。以Linux系统为例，描述下过程和相关参数：在连接闲置 tcp_keepalive_time 秒后，发送探测包，如果对方回应ACK，便认为依然在线；否则间隔 tcp_keepalive_intvl 秒后，持续发送探测包，一直到发送了 tcp_keepalive_probes 个探测包后，还未得到ACK回馈，便认为对方crash了。

上面三个是系统级的配置，在编程时有三个参数对应，可以覆盖掉系统的配置：

conn.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_KEEPALIVE, True)
conn.setsockopt(socket.SOL_TCP, socket.TCP_KEEPIDLE, 20) # 覆盖tcp_keepalive_time
conn.setsockopt(socket.SOL_TCP, socket.TCP_KEEPCNT, 5)  # 覆盖tcp_keepalive_probes
conn.setsockopt(socket.SOL_TCP, socket.TCP_KEEPINTVL, 10) # 覆盖tcp_keepalive_intvl

测试

服务端，监听9999端口

nc -l 9999

客户端，设置keepalive

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
import time
import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

"""开启keepalive"""
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_KEEPALIVE, 1)
"""设置每20秒发送一次心跳包"""
s.setsockopt(socket.SOL_TCP, socket.TCP_KEEPIDLE, 20)
"""对方没有回应心跳包后，每隔一秒发送一次心跳包"""
s.setsockopt(socket.SOL_TCP, socket.TCP_KEEPINTVL, 1)
s.connect(('127.0.0.1', 9999)) 
time.sleep(200)

连接上后：

15:29:27.818374 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [S], seq 2205494033, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 2023448593 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
15:29:27.818458 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.56724: Flags [S.], seq 2104773141, ack 2205494034, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 2023448593 ecr 2023448593,nop,wscale 7], length 0
15:29:27.818468 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 2104773142, win 342, options [nop,nop,TS val 2023448593 ecr 2023448593], length 0

# 20秒后发送心跳
15:29:48.005371 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 2104773142, win 342, options [nop,nop,TS val 2023468780 ecr 2023448593], length 0
15:29:48.005380 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.56724: Flags [.], ack 2205494034, win 342, options [nop,nop,TS val 2023468780 ecr 2023448593], length 0

# 20秒后发送心跳
15:30:08.478003 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 2104773142, win 342, options [nop,nop,TS val 2023489253 ecr 2023468780], length 0
15:30:08.478011 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.56724: Flags [.], ack 2205494034, win 342, options [nop,nop,TS val 2023489253 ecr 2023448593], length 0

# 关闭连接
15:30:11.277064 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [F.], seq 2205494034, ack 2104773142, win 342, options [nop,nop,TS val 2023492052 ecr 2023489253], length 0
15:30:11.277224 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.56724: Flags [F.], seq 2104773142, ack 2205494035, win 342, options [nop,nop,TS val 2023492052 ecr 2023492052], length 0
15:30:11.277236 IP 127.0.0.1.56724 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 2104773143, win 342, options [nop,nop,TS val 2023492052 ecr 2023492052], length 0

keepalive 成功和失败对比图

成功情况：借用网上的图，正常的keepalive图示是这样的：

tcp-keepalive-good.png

每隔20秒，发送一次心跳，而对方也立刻返回ack包

失败情况：把对方的网线拔掉，也就是说对方不会发送ack到这里

tcp-keepalive-bad.png

在没有收到对方的ack后，就会触发使用tcp_keepalive_intvl这个参数，对应上面我们python设置了socket.TCP_KEEPINTVL=1，所以之后每隔一秒就会发送侦探包，发送了tcp_keepalive_probes次后，也就是默认的net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9 9次后，关闭连接

使用的场景

一般我们使用KeepAlive时会修改空闲时长，避免资源浪费，系统内核会为每一个TCP连接建立一个保护记录，相对于应用层面效率更高。

常见的几种使用场景：

检测挂掉的连接（导致连接挂掉的原因很多，如服务停止、网络波动、宕机、应用重启等）
防止因为网络不活动而断连（使用NAT代理或者防火墙的时候，经常会出现这种问题）
TCP层面的心跳检测

KeepAlive通过定时发送探测包来探测连接的对端是否存活，但通常也会许多在业务层面处理的，他们之间的特点：

TCP自带的KeepAlive使用简单，发送的数据包相比应用层心跳检测包更小，仅提供检测连接功能
应用层心跳包不依赖于传输层协议，无论传输层协议是TCP还是UDP都可以用
应用层心跳包可以定制，可以应对更复杂的情况或传输一些额外信息
KeepAlive仅代表连接保持着，而心跳包往往还代表客户端可正常工作

和Http中Keep-Alive的关系

HTTP协议的Keep-Alive意图在于连接复用，同一个连接上串行方式传递请求-响应数据
TCP的KeepAlive机制意图在于保活、心跳，检测连接错误