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TCP KeepAlive机制理解与实践小结

作者：互联网

0 前言

本文将主要通过抓包并查看报文的方式学习TCP KeepAlive机制，以此加深理解。

 

1 TCP KeepAlive机制简介

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，抑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（并非标准规范，但操作系统一旦实现，默认情况下须为关闭，可以被上层应用开启和关闭）。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。

关于TCP KeepAlive机制的详细背景可以参考《TCP/IP详解 卷1:协议》一书，在此不详细赘述。

 

2 TCP KeepAlive设置参数和报文格式简介

2.1 TCP KeepAlive参数

TCP KeepAlive机制主要涉及3个参数：

 

2.2 TCP KeepAlive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。 在本文第四节，将通过抓包的方式再次介绍TCP KeepAlive报文。

 

3 TCP KeepAlive的配置

3.1 系统内核参数配置

Linux内核提供了通过sysctl命令查看和配置TCP KeepAlive参数的方法。

3.2 C语言socket设置

对于Socket而言，可以在程序中通过socket选项开启TCP KeepAlive功能，并配置参数。对应的Socket选项分别为SO_KEEPALIVE、TCP_KEEPIDLE、TCP_KEEPCNT、TCP_KEEPINTVL。

int keepalive = 1;          // 开启TCP KeepAlive功能
int keepidle = 7200;        // tcp_keepalive_time
int keepcnt = 9;            // tcp_keepalive_probes
int keepintvl = 75;         // tcp_keepalive_intvl

setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepalive, sizeof(keepalive));
setsockopt(socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *) &keepidle, sizeof (keepidle));
setsockopt(socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepcnt, sizeof (keepcnt));
setsockopt(socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepintvl, sizeof (keepintvl));

 

4 抓包实践分析

4.1 实践环境设置

将利用C语言分别编写服务器侧的代码和客户端的代码，在服务器侧开启TCP KeepAlive功能，服务器的端口号设置为6699，客户端的端口号为内核自动分配，并且每次客户端重启后内核分配的端口号可能不同，因此只需记住服务器端口号即可，另外一个相对的就是客户端。

服务器侧TCP KeepAlive参数具体设置如下：

tcp_keepalive_time = 55s
tcp_keepalive_probes = 2
tcp_keepalive_intvl = 6s

 

客户端运行于个人MAC电脑上，服务器运行在另外一台Linux系统上，后续通过wireshark软件进行抓包也是在MAC电脑上进行抓包。

4.2 wireshark抓包分析

将服务器开启，并通过客户端与之建立连接，过程中客户端和服务器无任何数据交互。通过wireshark抓包分析客户端和服务器间的数据交互，如下图：
tcp_keepalive_1

可以看到，客户端和服务器建立连接后，服务器每隔55s发送了一次TCP KEEPALIVE的探测报文，也验证了上面服务器tcp_keepalive_time的设置，客户端收到探活报文后，会作出回应。点击具体报文可以查看报文详情，如下图所示：
tcp_keepalive_2

tcp_keepalive_3

本文2.2节中介绍过TCP KEEPALIVE探活报文的序列号为上次发生数据交互时TCP报文序列号减1，实践中客户端和服务器在建立连接三次握手之后，没有发生任何数据交换，因此服务器收到客户端发送的最后报文的ACK值为1（注意wireshark抓包的报文序列号为相对序列号，Relative Sequence Number），所以服务器发送保活探测报文的序列号应该为0，客户端收到服务器探活报文后回应的确认报文序列号为1，和wireshark实际抓包相符合。

4.3 进一步测试

上面的测试中验证了tcp_keepalive_time参数，接下来验证TCP KeepAlive机制中另外两个参数。为了模拟由于连接中间路由等异常导致探活报文收不到回应的场景，借助Linux iptables命令设置防火墙，阻断TCP探活报文的传输。

这里将来自客户端的报文丢弃，即模拟服务器发送TCP KEEPALIVE探活报文后迟迟收不到回应报文的场景。使用的命令为：sudo iptables -A INPUT -p tcp --sport $YOUR_CLIENT_PORT -j DROP，其中sport为系统为客户端分配的端口号。

注意服务器是运行在Linux系统上的，客户端和wireshark运行在本地MAC电脑上，因此利用上述iptables设置防火墙规则后，wireshark仍能抓到所有确认报文，只是在Linux系统这一侧通过软件防火墙将报文丢弃了。

设置报文过滤规则后，再次通过wireshark抓包，如下图：
tcp_keepalive_4

从捕捉到的报文可以看到，3024.35s时间戳开始，服务器发送TCP KEEPALIVE探活报文后，一直收不到确认报文的返回，便隔6秒重新发送一个探活报文，即上文提到的服务器tcp_keepalive_intvl参数的设置。再等待2个tcp_keepalive_intvl时间间隔后，服务器仍未收到确认报文后，服务器发送了RST报文，以释放网络连接资源，这里的2次即tcp_keepalive_probes设置的。

注意：在完成上述测试后，借助sudo iptables -F命令清除所有的防火墙规则。

 

4 总结

本文借助wireshark软件，对TCP KEEPALIVE报文进行抓包分析，分析了TCP保活机制中tcp_keepalive_time、tcp_keepalive_probes、tcp_keepalive_intvl三个参数的实际效果，加深了对TCP KEEPALIVE机制的理解。

参考资料

[1] About TCP keepalive: (http://baotiao.github.io/tech/2015/09/25/tcp-keepalive/)
[2] https://www.codenong.com/cs105424711/

标签：报文,tcp,TCP,客户端,KeepAlive,小结,keepalive
来源： https://www.cnblogs.com/hueyxu/p/15759819.html