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TCP的定時器系列 — 保活定時器 Keepalive

阿新 • • 發佈：2019-01-17

主要內容：保活定時器的實現，TCP_USER_TIMEOUT選項的實現。

核心版本：3.15.2

原理

HTTP有Keepalive功能，TCP也有Keepalive功能，雖然都叫Keepalive，但是它們的目的卻是不一樣的。

為了說明這一點，先來看下長連線和短連線的定義。

連線的“長短”是什麼？

短連線：建立一條連線，傳輸一個請求，馬上關閉連線。

長連線：建立一條連線，傳輸一個請求，過會兒，又傳輸若干個請求，最後再關閉連線。

長連線的好處是顯而易見的，多個請求可以複用一條連線，省去連線建立和釋放的時間開銷和系統呼叫，

但也意味著伺服器的一部分資源會被長時間佔用著。

HTTP的Keepalive，顧名思義，目的在於延長連線的時間，以便在同一條連線中傳輸多個HTTP請求。

HTTP伺服器一般會提供Keepalive Timeout引數，用來決定連線保持多久，什麼時候關閉連線。

當連線使用了Keepalive功能時，對於客戶端傳送過來的一個請求，伺服器端會發送一個響應，然後開始計時，

如果經過Timeout時間後，客戶端沒有再發送請求過來，伺服器端就把連線關了，不再保持連線了。

TCP的Keepalive，是掛羊頭賣狗肉的，目的在於看看對方有沒有發生異常，如果有異常就及時關閉連線。

當傳輸雙方不主動關閉連線時，就算雙方沒有交換任何資料，連線也是一直有效的。

如果這個時候對端、中間網路出現異常而導致連線不可用，本端如何得知這一資訊呢？

答案就是保活定時器。它每隔一段時間會超時，超時後會檢查連線是否空閒太久了，如果空閒的時間超過

了設定時間，就會發送探測報文。然後通過對端是否響應、響應是否符合預期，來判斷對端是否正常，

如果不正常，就主動關閉連線，而不用等待HTTP層的關閉了。

當伺服器傳送探測報文時，客戶端可能處於4種不同的情況：仍然正常執行、已經崩潰、已經崩潰並重啟了、

由於中間鏈路問題不可達。在不同的情況下，伺服器會得到不一樣的反饋。

(1) 客戶主機依然正常執行，並且從伺服器端可達

客戶端的TCP響應正常，從而伺服器端知道對方是正常的。保活定時器會在兩小時以後繼續觸發。

(2) 客戶主機已經崩潰，並且關閉或者正在重新啟動

客戶端的TCP沒有響應，伺服器沒有收到對探測包的響應，此後每隔75s傳送探測報文，一共傳送9次。

socket函式會返回-1，errno設定為ETIMEDOUT，表示連線超時。

(3) 客戶主機已經崩潰，並且重新啟動了

客戶端的TCP傳送RST，伺服器端收到後關閉此連線。

socket函式會返回-1，errno設定為ECONNRESET，表示連線被對端復位了。

(4) 客戶主機依然正常執行，但是從伺服器不可達

雙方的反應和第二種是一樣的，因為伺服器不能區分對端異常與中間鏈路異常。

socket函式會返回-1，errno設定為EHOSTUNREACH，表示對端不可達。

選項

核心預設並不使用TCP Keepalive功能，除非使用者設定了SO_KEEPALIVE選項。

有兩種方式可以自行調整保活定時器的引數：一種是修改TCP引數，一種是使用TCP層選項。

(1) TCP引數

tcp_keepalive_time

最後一次資料交換到TCP傳送第一個保活探測報文的時間，即允許連線空閒的時間，預設為7200s。

tcp_keepalive_intvl

保活探測報文的重傳時間，預設為75s。

tcp_keepalive_probes

保活探測報文的傳送次數，預設為9次。

Q：一次完整的保活探測需要花費多長時間？

A：tcp_keepalive_time + tcp_keepalive_intvl * tcp_keepalive_probes，預設值為7875s。

如果覺得兩個多小時太長了，可以自行調整上述引數。

(2) TCP層選項

TCP_KEEPIDLE：含義同tcp_keepalive_time。

TCP_KEEPINTVL：含義同tcp_keepalive_intvl。

TCP_KEEPCNT：含義同tcp_keepalive_probes。

Q：既然有了TCP引數可供調整，為什麼還增加了上述的TCP層選項？

A：TCP引數是面向本機的所有TCP連線，一旦調整了，對所有的連線都有效。

而TCP層選項是面向一條連線的，一旦調整了，只對本條連線有效。

啟用

在連線建立後，可以通過設定SO_KEEPALIVE選項，來啟用保活定時器。

int keepalive = 1;

setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keepalive, sizeof(keepalive));

  1. int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval,   
  2.     unsigned int optlen)  
  3. {  
  4.     ...  
  5.     case SO_KEEPALIVE:  
  6. #ifdef CONFIG_INET  
  7.         if (sk->sk_protocol == IPPROTO_TCP && sk->sk_type == SOCK_STREAM)  
  8.             tcp_set_keepalive(sk, valbool); /* 啟用或刪除保活定時器 */
  9. #endif  
  10.         sock_valbool_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN, valbool); /* 設定或取消SOCK_KEEPOPEN標誌位 */
  11.         break;  
  12.     ...  
  13. }  
  14. static inline void sock_valbool_flag (struct sock *sk, int bit, int valbool)  
  15. {  
  16.     if (valbool)  
  17.         sock_set_flag(sk, bit);  
  18.     else
  19.         sock_reset_flag(sk, bit);  
  20. }  
  1. void tcp_set_keepalive(struct sock *sk, int val)  
  2. {  
  3.     /* 不在以下兩個狀態設定保活定時器： 
  4.      * TCP_CLOSE：sk_timer用作FIN_WAIT2定時器 
  5.      * TCP_LISTEN：sk_timer用作SYNACK重傳定時器 
  6.      */
  7.     if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN))  
  8.         return;  
  9.     /* 如果SO_KEEPALIVE選項值為1，且此前沒有設定SOCK_KEEPOPEN標誌， 
  10.      * 則啟用sk_timer，用作保活定時器。 
  11.      */
  12.     if (val && !sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN))  
  13.         inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, keepalive_time_when(tcp_sk(sk)));  
  14.     elseif (!val)  
  15.         /* 如果SO_KEEPALIVE選項值為0，則刪除保活定時器 */
  16.         inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);  
  17. }  
  18. /* 保活定時器的超時時間 */
  19. static inline int keepalive_time_when(const struct tcp_sock *tp)  
  20. {  
  21.     return tp->keepalive_time ? : sysctl_tcp_keepalive_time;  
  22. }  
  23. void inet_csk_reset_keepalive_timer (struc sock *sk, unsigned long len)  
  24. {  
  25.     sk_reset_timer(sk, &sk->sk_timer, jiffies + len);  
  26. }  

可以使用TCP層選項來動態調整保活定時器的引數。

int keepidle = 600;

int keepintvl = 10;

int keepcnt = 6;

setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, &keepidle, sizeof(keepidle));

setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, &keepintvl, sizeof(keepintvl));

setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, &keepcnt, sizeof(keepcnt));

  1. struct tcp_sock {  
  2.     ...  
  3.     /* 最後一次接收到ACK的時間 */
  4.     u32 rcv_tstamp; /* timestamp of last received ACK (for keepalives) */
  5.     ...  
  6.     /* time before keep alive takes place, 空閒多久後才傳送探測報文 */
  7.     unsigned int keepalive_time;  
  8.     /* time iterval between keep alive probes */
  9.     unsigned int keepalive_intvl; /* 探測報文之間的時間間隔 */
  10.     /* num of allowed keep alive probes */
  11.     u8 keepalive_probes; /* 探測報文的傳送次數 */
  12.     ...  
  13.     struct {  
  14.         ...  
  15.         /* 最後一次接收到帶負荷的報文的時間 */
  16.         __u32 lrcvtime; /* timestamp of last received data packet */
  17.         ...  
  18.     } icsk_ack;  
  19.     ...  
  20. };  
  21. #define TCP_KEEPIDLE 4/* Start Keepalives after this period */
  22. #define TCP_KEEPINTVL 5/* Interval between keepalives */
  23. #define TCP_KEEPCNT 6/* Number of keepalives before death */
  24. #define MAX_TCP_KEEPIDLE 32767
  25. #define MAX_TCP_KEEPINTVL 32767
  26. #define MAX_TCP_KEEPCNT 127
  1. staticint do_tcp_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname, char __user *optval,  
  2.     unsigned int optlen)  
  3. {  
  4.     ...  
  5.     case TCP_KEEPIDLE:  
  6.        if (val < 1 || val > MAX_TCP_KEEPIDLE)  
  7.            err = -EINVAL;  
  8.         else {  
  9.             tp->keepalive_time = val * HZ; /* 設定新的空閒時間 */
  10.             /* 如果有使用SO_KEEPALIVE選項，連線處於非監聽非結束的狀態。 
  11.              * 這個時候保活定時器已經在計時了，這裡設定新的超時時間。 
  12.              */
  13.             if (sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN) &&   
  14.                 !((1 << sk->sk_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN))) {  
  15.                 u32 elapsed = keepalive_time_elapsed(tp); /* 連線已經經歷的空閒時間 */
  16.                 if (tp->keepalive_time > elapsed)  
  17.                     elapsed = tp->keepalive_time - elapsed; /* 接著等待的時間，然後超時 */

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