TCP协议中keepalive与heartbeat

wuaji

心跳包
　　很多应用层协议都有HeartBeat机制，通常是客户端每隔一小段时间向服务器发送一个数据包，通知服务器自己仍然在线，并传输一些可能必要的数据。使用心跳包的典型协议是IM，比如QQ/MSN/飞信等协议。
　　心跳包之所以叫心跳包是因为：它像心跳一样每隔固定时间发一次，以此来告诉服务器，这个客户端还活着。事实上这是为了保持长连接，至于这个包的内容，是没有什么特别规定的，不过一般都是很小的包，或者只包含包头的一个空包。
　　在TCP的机制里面，本身是存在有心跳包的机制的，也就是TCP的选项：SO_KEEPALIVE。系统默认是设置的2小时的心跳频率。但是它检查不到机器断电、网线拔出、防火墙这些断线。而且逻辑层处理断线可能也不是那么好处理。一般，如果只是用于保活还是可以的。
　　心跳包一般来说都是在逻辑层发送空的echo包来实现的。下一个定时器，在一定时间间隔下发送一个空包给客户端，然后客户端反馈一个同样的空包回来，服务器如果在一定时间内收不到客户端发送过来的反馈包，那就只有认定说掉线了。
　　其实，要判定掉线，只需要send或者recv一下，如果结果为零，则为掉线。但是，在长连接下，有可能很长一段时间都没有数据往来。理论上说，这个连接是一直保持连接的，但是实际情况中，如果中间节点出现什么故障是难以知道的。更要命的是，有的节点（防火墙）会自动把一定时间之内没有数据交互的连接给断掉。在这个时候，就需要我们的心跳包了，用于维持长连接，保活。
　　在获知了断线之后，服务器逻辑可能需要做一些事情，比如断线后的数据清理呀，重新连接呀……当然，这个自然是要由逻辑层根据需求去做了。
　　总的来说，心跳包主要也就是用于长连接的保活和断线处理。一般的应用下，判定时间在30-40秒比较不错。如果实在要求高，那就在6-9秒。
TCP协议的KeepAlive机制
　　学过TCP/IP的同学应该都知道，传输层的两个主要协议是UDP和TCP，其中UDP是无连接的、面向packet的，而TCP协议是有连接、面向流的协议。
　　所以非常容易理解，使用UDP协议的客户端（例如早期的“OICQ”，听说OICQ.com这两天被抢注了来着，好古老的回忆）需要定时向服务器发送心跳包，告诉服务器自己在线。
　　然而，MSN和现在的QQ往往使用的是TCP连接了，尽管TCP/IP底层提供了可选的KeepAlive（ACK-ACK包）机制，但是它们也还是实现了更高层的心跳包。似乎既浪费流量又浪费CPU，有点莫名其妙。
　　具体查了下，TCP的KeepAlive机制是这样的，首先它貌似默认是不打开的，要用setsockopt将SOL_SOCKET.SO_KEEPALIVE设置为1才是打开，并且可以设置三个参数tcp_keepalive_time/tcp_keepalive_probes/tcp_keepalive_intvl，分别表示连接闲置多久开始发keepalive的ack包、发几个ack包不回复才当对方死了、两个ack包之间间隔多长，在我测试的Ubuntu Server 10.04下面默认值是7200秒（2个小时，要不要这么蛋疼啊！）、9次、75秒。于是连接就了有一个超时时间窗口，如果连接之间没有通信，这个时间窗口会逐渐减小，当它减小到零的时候，TCP协议会向对方发一个带有ACK标志的空数据包（KeepAlive探针），对方在收到ACK包以后，如果连接一切正常，应该回复一个ACK；如果连接出现错误了（例如对方重启了，连接状态丢失），则应当回复一个RST；如果对方没有回复，服务器每隔intvl的时间再发ACK，如果连续probes个包都被无视了，说明连接被断开了。
　　这里有一篇非常详细的介绍文章： http://tldp.org/HOWTO/html_single/TCP-Keepalive-HOWTO ，包括了KeepAlive的介绍、相关内核参数、C编程接口、如何为现有应用（可以或者不可以修改源码的）启用KeepAlive机制，很值得详读。
　　这篇文章的2.4节说的是“Preventing disconnection due to network inactivity”，阻止因网络连接不活跃（长时间没有数据包）而导致的连接中断，说的是，很多网络设备，尤其是NAT路由器，由于其硬件的限制（例如内存、CPU处理能力），无法保持其上的所有连接，因此在必要的时候，会在连接池中选择一些不活跃的连接踢掉。典型做法是LRU，把最久没有数据的连接给T掉。通过使用TCP的KeepAlive机制（修改那个time参数），可以让连接每隔一小段时间就产生一些ack包，以降低被T掉的风险，当然，这样的代价是额外的网络和CPU负担。
　　前面说到，许多IM协议实现了自己的心跳机制，而不是直接依赖于底层的机制，不知道真正的原因是什么。
　　就我看来，一些简单的协议，直接使用底层机制就可以了，对上层完全透明，降低了开发难度，不用管理连接对应的状态。而那些自己实现心跳机制的协议，应该是期望通过发送心跳包的同时来传输一些数据，这样服务端可以获知更多的状态。例如某些客户端很喜欢收集用户的信息……反正是要发个包，不如再塞点数据，否则包头又浪费了……
　　大概就是这样吧。