Socket心跳包机制及SO_KEEPALIVE套接口选项

转自：http://blog.csdn.net/xuyuefei1988/article/details/8279812

心跳包的发送，通常有两种技术
方法1：应用层自己实现的心跳包 
由应用程序自己发送心跳包来检测连接是否正常，大致的方法是：服务器在一个 Timer事件中定时 向客户端发送一个短小精悍的数据包，然后启动一个低级别的线程，在该线程中不断检测客户端的回应， 如果在一定时间内没有收到客户端的回应，即认为客户端已经掉线；同样，如果客户端在一定时间内没 有收到服务器的心跳包，则认为连接不可用。

方法2：TCP的KeepAlive保活机制
因为要考虑到一个服务器通常会连接多个客户端，因此由用户在应用层自己实现心跳包，代码较多 且稍显复杂，而利用TCP／IP协议层为内置的KeepAlive功能来实现心跳功能则简单得多。 不论是服务端还是客户端，一方开启KeepAlive功能后，就会自动在规定时间内向对方发送心跳包， 而另一方在收到心跳包后就会自动回复，以告诉对方我仍然在线。 因为开启KeepAlive功能需要消耗额外的宽带和流量，所以TCP协议层默认并不开启KeepAlive功 能，尽管这微不足道，但在按流量计费的环境下增加了费用，另一方面，KeepAlive设置不合理时可能会 因为短暂的网络波动而断开健康的TCP连接。并且，默认的KeepAlive超时需要7,200，000 MilliSeconds， 即2小时，探测次数为5次。对于很多服务端应用程序来说，2小时的空闲时间太长。因此，我们需要手工开启KeepAlive功能并设置合理的KeepAlive参数。
以上转自网络。



心跳包机制

  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。

心跳检测步骤：
1客户端每隔一个时间间隔发生一个探测包给服务器
2客户端发包时启动一个超时定时器
3服务器端接收到检测包，应该回应一个包
4如果客户机收到服务器的应答包，则说明服务器正常，删除超时定时器
5如果客户端的超时定时器超时，依然没有收到应答包，则说明服务器挂了
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_a459dcf5010153m5.html

根据上面的介绍我们可以知道对端以一种非优雅的方式断开连接的时候，我们可以设置SO_KEEPALIVE属性使得我们在2小时以后发现对方的TCP连接是否依然存在。
具体操作：
    //设置KeepAlive     
   1、 BOOL   bKeepAlive   =   TRUE;     
    int nRet=::setsockopt(sockClient,SOL_SOCKET,SO_KEEPALIVE,(char*)&bKeepAlive,sizeof(bKeepAlive));     
    if(nRet!=0)    
    {     
        AfxMessageBox("出错"); 
        return   ;
    }     
    
   2、感觉两小时时间太长可以自行设定方法1 
//设置KeepAlive检测时间和次数     
    tcp_keepalive    inKeepAlive   =   {0};   //输入参数     
    unsigned   long   ulInLen   =   sizeof(tcp_keepalive );         
    
    tcp_keepalive    outKeepAlive   =   {0};   //输出参数     
    unsigned   long   ulOutLen   =   sizeof(tcp_keepalive );         
    
    unsigned   long   ulBytesReturn   =   0;     
    
    //设置socket的keep   alive为10秒，并且发送次数为3次     
    inKeepAlive.onoff   =   1;       
    inKeepAlive.keepaliveinterval   =   4000;   //两次KeepAlive探测间的时间间隔     
    inKeepAlive.keepalivetime   =   1000;   //开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间     
    
    nRet=WSAIoctl(sockClient,       
        SIO_KEEPALIVE_VALS,     
        (LPVOID)&inKeepAlive,     
        ulInLen,     
        (LPVOID)&outKeepAlive,     
        ulOutLen,     
        &ulBytesReturn,     
        NULL,     
        NULL);     
    if(SOCKET_ERROR   ==   nRet)     
    {     
        AfxMessageBox("出错");
        return;    
    }   
3、感觉两小时时间太长可以自行设定方法2
因此我们可以得到
    int                 keepIdle = 6;
    int                 keepInterval = 5;
    int                 keepCount = 3;
    Setsockopt(listenfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *)&keepIdle, sizeof(keepIdle));
    Setsockopt(listenfd, SOL_TCP,TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepInterval, sizeof(keepInterval));
    Setsockopt(listenfd,SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepCount, sizeof(keepCount));

详见：http://blog.csdn.net/gavin1203/article/details/5290609
对setsockopt的操作，详见：http://www.cnblogs.com/hateislove214/archive/2010/11/05/1869886.html

转自：http://blog.csdn.net/gavin1203/article/details/5290609

目前手头有个关于心博功能的一个案例， 在使用SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE上有一点心得，想写出来和大家分享一下。
关于SOL_SOCKET选项SO_KEEPALIVE有一个很详细的英文How TO， 在下面的网页中大家可以看到详细的内容
[url=http://www.icewalkers.com/Linux/Howto/TCP-Keepalive-HOWTO/index.html]http://www.icewalkers.com/Linux/Howto/TCP-Keepalive-HOWTO/index.html[/url]
在《UNIX网络编程第1卷》中也有详细的阐述：
SO_KEEPALIVE
保持连接检测对方主机是否崩溃，避免（服务器）永远阻塞于TCP连接的输入。设置该选项后，如果2小时内在此套接口的任一方向都没有数据交换，TCP就自
动给对方 发一个保持存活探测分节(keepalive
probe)。这是一个对方必须响应的TCP分节.它会导致以下三种情况：对方接收一切正常：以期望的ACK响应。2小时后，TCP将发出另一个探测分
节。对方已崩溃且已重新启动：以RST响应。套接口的待处理错误被置为ECONNRESET，套接
口本身则被关闭。对方无任何响应：源自berkeley的TCP发送另外8个探测分节，相隔75秒一个，试图得到一个响应。在发出第一个探测分节11分钟
15秒后若仍无响应就放弃。套接口的待处理错误被置为ETIMEOUT，套接口本身则被关闭。如ICMP错误是“host
unreachable(主机不可达)”，说明对方主机并没有崩溃，但是不可达，这种情况下待处理错误被置为 EHOSTUNREACH。
在该书的第158页有更详细的描述。
根据上面的介绍我们可以知道对端以一种非优雅的方式断开连接的时候，我们可以设置SO_KEEPALIVE属性使得我们在2小时以后发现对方的TCP连接是否依然存在。
keepAlive = 1；
Setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void*)&keepAlive, sizeof(keepAlive));
如果我们不能接受如此之长的等待时间，从TCP-Keepalive-HOWTO上可以知道一共有两种方式可以设置，一种是修改内核关于网络方面的
配置参数，另外一种就是SOL_TCP字段的TCP_KEEPIDLE， TCP_KEEPINTVL， TCP_KEEPCNT三个选项。
The tcp_keepidle parameter specifies the interval of inactivity
that causes TCP to generate a KEEPALIVE transmission for an application
that requests them. tcp_keepidle defaults to 14400 (two hours).
/*开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间 */

The tcp_keepintvl parameter specifies the interval between the nine
retries that are attempted if a KEEPALIVE transmission is not
acknowledged. tcp_keepintvl defaults to 150 (75 seconds).
/* 两次KeepAlive探测间的时间间隔  */
The TCP_KEEPCNT option specifies the maximum number of keepalive
probes to be sent. The value of TCP_KEEPCNT is an integer value between
1 and n, where n is the value of the systemwide tcp_keepcnt parameter. 
/* 判定断开前的KeepAlive探测次数 */
因此我们可以得到
    int                 keepIdle = 6;
    int                 keepInterval = 5;
    int                 keepCount = 3;
    Setsockopt(listenfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *)&keepIdle, sizeof(keepIdle));
    Setsockopt(listenfd, SOL_TCP,TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepInterval, sizeof(keepInterval));
    Setsockopt(listenfd,SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepCount, sizeof(keepCount)); 
我们需要注意的TCP-Keepalive-HOWTO上这段话：
Remember that keepalive is not program−related, but socket−related,
so if you have multiple sockets, you can handle keepalive for each of
them separately.
这些属性是sockt继承的，非整个代码内的所有sockets都继承这个属性，因为如果要应用到多个套接口上必须分别使用Setsockopt, Setsockopt是setsockopt的包裹函数。
如果心搏函数要维护客户端的存活，即服务器必须每隔一段时间必须向客户段发送一定的数据，那么使用SO_KEEPALIVE是有很大的不足的。因为
SO_KEEPALIVE选项指"此套接口的任一方向都没有数据交换",我不知道大家是怎么理解这个实现的。在Linux
2.6系列上，上面话的理解是只要打开SO_KEEPALIVE选项的套接口端检测到数据发送或者数据接受就认为是数据交换。
因此在这种情况下使用 SO_KEEPALIVE选项 检测对方是否非正常连接是完全没有作用的，在每隔一段时间发包的情况，
keep-alive的包是不可能被发送的。上层程序在非正常端开的情况下是可以正常发送包到缓冲区的。非正常端开的情况是指服务器没有收到"FIN"
或者 "RST"包。
当然这种情况也是比较好断定对方是否存活，我提出来的主要原因是想看看大家对"此套接口的任一方向都没有数据交换"是怎么去理解的。