Linux下关于TCP的keep alive的实现源码分析
来源：程序员人生 发布时间：2015-01-23 08:45:25 阅读次数：2433次
TCP下的Keep Alive
我们常说的TCP的keep alive，就是为了保证连接的有效性，在间隔1定的时间发探测包，根据回复来确认该连接是不是有效。通常上层利用会自己提供心跳检测机制，而Linux内核本身也提供了从内核层面的确保连接有效性的方式。
在sock 函数中可以设置是不是需要打开keep alive开关，默许建立socket 是关闭keep alive的。代码以下
optval = 1;
optlen = sizeof(optval);
if(setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &optval, optlen) < 0) {
perror("setsockopt()");
close(s);
exit(EXIT_FAILURE);
}
Keep Alive 的控制参数
tcp_keepalive_time 参数
控制keep alive的最长空闲时间
tcp_keepalive_probes 参数
当超过最长空间时间后，内核会尝试发出探测包确认客户端时候存活，该参数控制的是尝试的次数
tcp_keepalive_intvl 参数
当超过最长空闲时间后，内核会发出探测包，当没有收到确认回复的，该参数控制下个探测包的时间
Linux下如何实现Keep Alive
sock结构体中的timer_list
在sock结构体中，存在timer_list的结构体sk_timer，参考下面结构
struct sock{
...
struct timer_list sk_timer;
...
}
struct timer_list {
struct list_head entry;
unsigned long expires;
void (*function)(unsigned long);
unsigned long data;
struct tvec_base *base;
#ifdef CONFIG_TIMER_STATS
void *start_site;
char start_comm[16];
int start_pid;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};
timer_list结构体，是在sock里经常使用的timer履行链表，entry代表的是链表的头， expires代表的失效时间，而function就是履行的函数。
注册keepalive处理函数
void inet_csk_init_xmit_timers(struct sock *sk,
void (*retransmit_handler)(unsigned long),
void (*delack_handler)(unsigned long),
void (*keepalive_handler)(unsigned long))
{
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
setup_timer(&icsk->icsk_retransmit_timer, retransmit_handler,
(unsigned long)sk);
setup_timer(&icsk->icsk_delack_timer, delack_handler,
(unsigned long)sk);
setup_timer(&sk->sk_timer, keepalive_handler, (unsigned long)sk);//注册了函数在sk_timer中
icsk->icsk_pending = icsk->icsk_ack.pending = 0;
}
当连接完成的时候（也就是握手成功的时候），在新生成的sock里面的sk_timer结构体中，注册了函数keepalive_handler函数
void tcp_init_xmit_timers(struct sock *sk)
{
inet_csk_init_xmit_timers(sk, &tcp_write_timer, &tcp_delack_timer,
&tcp_keepalive_timer);
}
而keepalive_handler函数就是tcp_keepalive_timer函数
static void tcp_keepalive_timer (unsigned long data)
{
......
if (!sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN) || sk->sk_state == TCP_CLOSE)
goto out;
elapsed = keepalive_time_when(tp);
/* It is alive without keepalive 8) */
if (tp->packets_out || tcp_send_head(sk))
goto resched;
elapsed = tcp_time_stamp - tp->rcv_tstamp;
if (elapsed >= keepalive_time_when(tp)) {
if (icsk->icsk_probes_out >= keepalive_probes(tp)) {
tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC);
tcp_write_err(sk);
goto out;
}
if (tcp_write_wakeup(sk) <= 0) {
icsk->icsk_probes_out++;
elapsed = keepalive_intvl_when(tp);
} else {
/* If keepalive was lost due to local congestion,
* try harder.
*/
elapsed = TCP_RESOURCE_PROBE_INTERVAL;
}
} else {
/* It is tp->rcv_tstamp + keepalive_time_when(tp) */
elapsed = keepalive_time_when(tp) - elapsed;
}
.....
}
上面只是截取了1部份代码，重点是前面提到的参数的实现，代码首先先检查了是不是在sock里设置了参数SO_KEEPALIVE，也就是sock里面的flag:SOCK_KEEPOPEN。
如果设置了socket的SO_KEEPALIVE，才继续检查时间戳，取的上次收到包的时间戳和当前时间戳的差值，进行和参数keepalive_time的比较，如果已超时了，那末检查发已出探测包失败的次数，如果次数已比keepalive_probes的大，那末发出reset包，同时写毛病报告，关闭sock。
如果比设置的探测包次数小的话，那发出探测包，同时设置下次的校验的时间戳为keepalive_intvl, 而不在是keepalive_time。
注意：在这里keepalive_intvl只是控制触发下次校验的时间
计算结束无效连接的时间N会有两种情况
a. keepalive_intvl 的时间比 keepalive_time 大
N=keepalive_time +keepalive_intvl*keepalive_probes
b. keepalive_intvl 的时间比 keepalive_time小
N=keepalive_time +keepalive_time*keepalive_probes
这也就是为何在默许设置里，认为无效的连接的时间实际上是7200*6 要12小时才会断掉连接
代码中设置keepalive_time,keepalive_probes,keepalive_intvl
setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, &val, sizeof(int))
setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, &val, sizeof(int))
setsockopt(s, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, &val, sizeof(int))
所对应的3个参数 TCP_KEEPIDLE --> keepalive_time, TCP_KEEPINTVL--> keepalive_intvl, TCP_KEEPCNT--> keepalive_probes
3个参数本身也有最大值的保护，TCP_KEEPIDLE 最大是32767 TCP_KEEPINTVL 最大值是32767 TCP_KEEPCNT 最大值是127
JAVA中并没有提供对这些参数的修改
处理中的定时器
而TCP连接进程中，会有很多的定时器timer，做1些定时的检查，比如前面的博客里提到的清除accept queue的定时器，ack的定时器，有兴趣的可以参考tcp_timer.c
定时器的主要作用就是在固定时的状态下进行程序调用，在keep alive中就是定时发送探测包以肯定包的有效性。
JAVA设置Keep alive
Java 里只允许打开keep alive，但却不允许设置keep alive的几个相干参数,Java 对客户端中打开keep alive直接调用Socket.setKeepAlive函数，而在
服务器真个ServerSocket 却不允许设置keep alive的开关，你只能在accept 1个新的连接的socket 的时候设置。
如何能设置刚才的需要的参数在java中？这里只是提1个思路
在java里的最后JNI的调用中，设置了常量数组的保护，只有数组中的参数才被允许设置到socket中
const opts[] = {
{ java_net_SocketOptions_TCP_NODELAY, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY },
{ java_net_SocketOptions_SO_OOBINLINE, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE },
{ java_net_SocketOptions_SO_LINGER, SOL_SOCKET, SO_LINGER },
{ java_net_SocketOptions_SO_SNDBUF, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF },
{ java_net_SocketOptions_SO_RCVBUF, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF },
{ java_net_SocketOptions_SO_KEEPALIVE, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE },
{ java_net_SocketOptions_SO_REUSEADDR, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR },
{ java_net_SocketOptions_SO_BROADCAST, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST },
{ java_net_SocketOptions_IP_TOS, IPPROTO_IP, IP_TOS },
{ java_net_SocketOptions_IP_MULTICAST_IF, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF },
{ java_net_SocketOptions_IP_MULTICAST_IF2, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF },
{ java_net_SocketOptions_IP_MULTICAST_LOOP, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP },
};
直接设置是没有办法了，但可以用自己写JNI的方法来添加，由于在socket里有FileDescriptor fd，而里面的int fd 就是对应到内核中socket的 fd, 只要拿到这个fd 就能够调用自己的native方法来设置需要的参数,固然你也能够写自己的 socket, 来封装1个写setsocketoption的native 函数。
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