心跳机制tcp keepalive的讨论、应用及“断网”、"断电"检测的C代码实现(Windows环境下)

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      说明： 1. 本文的讨论和实验都以Windows为例， 其实在linux上也大同小异。

                  2. 在第一次写此博文时， 我对某些地方有一些误解， 现予以更正， 对文章结构做了较大调整，也欢迎大家提出质疑。

                  3. 在做实验玩代码的时候， 意料之中地发现腾讯QQ也在玩心跳， 不清楚具体怎么实现的， 但有点意思哈。

      很多网友都问过一个类似这样的问题： tcp连接ok后，网络如果断了， 怎么检测断网对于这个问题， 我曾经给出了一个比较武断的定论： 我说， 断网断电后， tcp是死连接， 客户端和服务端无法感知，必须借助心跳机制。后来， 经过了更多的详细实验和深入思考， 我发现，事实并非完全如此。

       tcp通道建立后， 如果断网断电， 两侧是否会有感知呢？ 其实， 这个问题取决于我们的网络结构， 下面， 我以如下网络结构为例进行详细说明。 网络结构为：

        先说说这幅图， 总体来说， 应该还算比较性感。 其中， pc1做客户端, ip地址是192.168.1.101, pc2做服务端, ip地址是192.168.1.102， 都是dhcp接入的.   请注意： 在做实验的过程中， 每次实验后， 都要关闭服务端和客户端， 且要回复拆掉的线， 断掉的电， 免得影响下次做实验。

      

      确保网络连接良好， 我们来看pc2服务端程序：

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h> // winsock接口
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // winsock实现

int main()
{
WORD wVersionRequested; // 双字节，winsock库的版本
WSADATA wsaData; // winsock库版本的相关信息

wVersionRequested = MAKEWORD( 1, 1); // 0x0101 即:257


// 加载winsock库并确定winsock版本，系统会把数据填入wsaData中
WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );


// AF_INET 表示采用TCP/IP协议族
// SOCK_STREAM 表示采用TCP协议
// 0是通常的默认情况
unsigned int sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

SOCKADDR_IN addrSrv;

addrSrv.sin_family = AF_INET; // TCP/IP协议族
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr( "0.0.0.0"); // socket对应的IP地址
addrSrv.sin_port = htons( 8888); // socket对应的端口

// 将socket绑定到某个IP和端口（IP标识主机，端口标识通信进程）
bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));

// 将socket设置为监听模式，5表示等待连接队列的最大长度
listen(sockSrv, 5);


// sockSrv为监听状态下的socket
// &addrClient是缓冲区地址，保存了客户端的IP和端口等信息
// len是包含地址信息的长度
// 如果客户端没有启动，那么程序一直停留在该函数处
SOCKADDR_IN addrClient;
int len = sizeof(SOCKADDR);
unsigned int sockConn = accept(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrClient, &len);

while(1); // 卡住

closesocket(sockConn);
closesocket(sockSrv);
WSACleanup();

return 0;
}

      我们再看pc1客户端程序：

#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define SIO_KEEPALIVE_VALS _WSAIOW(IOC_VENDOR, 4)

// tcp keepalive结构体
typedef struct tcp_keepalive
{
u_long onoff;
u_long keepalivetime;
u_long keepaliveinterval;
}TCP_KEEPALIVE;

// 通信的socket
SOCKET sockClient = 0;

// 监测线程
DWORD WINAPI monitorThread(LPVOID pM)
{
while(1)
{
char szRecvBuf[10] = {0};
int nRet = recv(sockClient, szRecvBuf, 1, MSG_PEEK); // 注意， 最后一个参数必须是MSG_PEEK， 否则会影响主线程接收信息
if(nRet <= 0) // 实际上， 等于0表示服务端主动关闭通信socket
{
printf("监测到啦: nRet is %d\n", nRet);
closesocket(sockClient);
break;
}

Sleep( 200);
}

return 0;
}

int main()
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
wVersionRequested = MAKEWORD( 1, 1);

WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
sockClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr( "192.168.1.102");
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_port = htons( 8888);
connect(sockClient, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));

// 开启监测线程
HANDLE handle = CreateThread( NULL, 0, monitorThread, NULL, 0, NULL);

while(1); // 卡住

CloseHandle(handle);
closesocket(sockClient);
WSACleanup();

return 0;
}

      下面， 我们来做几组实验：

      实验一：

      先启动服务端， 再启动客户端， 建立tcp连接。  用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态， 发现是已经建立连接了。

      情形1:

      断掉下行网线2, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态变了， 且“监测到啦: nRet is -1”打印， 但服务端的socket状态没有变化。 这说明：客户端有感知， 但服务端没有感知。 此时， 服务端是死连接。

      情形2:

      断掉下行网线3, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态未变， 且没有“监测到啦: nRet is -1”打印， 但服务端的socket状态有变化。 这说明：客户端没有感知， 但服务端有感知。此时， 客户端是死连接。

      情形3:

      断掉路由器上行网线1, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态未变， 且没有“监测到啦: nRet is -1”打印， 且服务端的socket状态也没有变化。 而且这个时候， tcp连接并不是死连接， 还是活的， 还可以正常通信。 有意思的是， 此时， 我pc1上的QQ和pc2上的QQ过了一段时间都各自断了， 说明腾讯QQ客户端也有心跳机制。注意， pc1上的QQ和pc2上的QQ不直接通信哈。

      情形4:

      断掉路由器电源4, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态变化， 且有“监测到啦: nRet is -1”打印， 服务端的socket状态也变化。 说明这个时候， 客户端有感知， 服务端也有感知， 两侧都不存在死连接。

      情形5: 

     直接对pc1的电源线5进行断电（当然， 也要把笔记本pc1的电源拔出来才算数），客户端肯定就没了啊。 此时， 服务端socket状态并没有变化， 说明服务端是没有感知的， 服务端是死连接。

      情形6: 

     直接对pc2的电源线6进行断电（当然， 也要把笔记本pc2的电源拔出来才算数），服务端肯定就没了啊。 此时，客户端socket状态并没有变化， 且没有“监测到啦: nRet is -1”打印, 说明客户端是没有感知的， 客户端是死连接。

      我们看一下， 除了情形3外， tcp的正常连接都受到了影响， 而且死连接无法感知， 这显然不符合我们的期望。 那么， 怎么检测tcp死连接呢？  这就是本文要深入讨论的话题------心跳机制。

     首先自然会问： 什么是心跳机制？ 为什么需要心跳机制？ 怎么来实现它？ 在本文中， 我会和大家一起来学习一下。

     想一下， 当tcp连接被破坏后， 如果是死连接了， 服务端和客户端怎样才能知道信息能不能到达对方呢？ 很自然的想法是， 不断地给对方发探测信号， 看有没有回应， 这就是心跳机制的直白原理。 所谓的心跳即是数据包， 发心跳就是一方向另一方发送的数据包， 不断地发送， 如果收不到回应， 那么就有理由认为是tcp连接出了问题。 那为什么要叫心跳呢？ 你摸一下你的心， 你看它是不是均匀在跳？ 理解了吧， 均匀发出去的数据包就类似于均匀的心跳信号。 所以， 我要说： 心跳就是（探测性的）数据包。

       到此为主， 我们算是搞懂了什么是心跳机制， 为什么需要心跳机制这两个问题。

       下面， 我们会更深入地讨论心跳机制， 并在最后会写个带心跳机制的客户端程序来实战感受一下。

       从原理上来讲， 服务端的心跳机制和客户端的心跳机制完全一致， 而且彼此独立。 服务端的心跳只能用来检测服务端的死连接， 客户端的心跳只能检测客户端的死连接。

由于服务端和客户端的心跳原理是基本一致的， 所以为了简便起见， 我们仅仅在客户端启用心跳机制， 然后让客户端去检测一下死连接。

        虽然我们说心跳就是数据包， 且我们也可以抓包看到， 但其实这个包的报文段是不含有任何数据的， 因此， 即使你用recv函数， 也不会接收到什么值， 也就是说，如果没有应用层数据通信的话， 即使有循环心跳发送接收， recv也会阻塞在那里， 静静地等待。

        既然说到心跳， 我们就不得不说说心跳发送的频率， 根据RFC的定义， TCP/IP协议栈需要等待的默认时间间隔是2小时。 但是， 对于大多数应用程序来说说， 2个小时后才能检测到死连接又有什么意义呢？ 我就不明白了， RFC的作者难道傻么 为什么要定义这么长的一个时间？ 翻阅资料后才得知： 原来， RFC作者是为了弱化用户使用心跳机制。关于心跳机制， 一直存在这么两派争论， 支持派：可以简化应用程序的设计， 让客户端或者服务端检测到断网。 反对派：心跳机制浪费了带宽， 而且可能会拆掉某个相对良好的tcp连接/通道。

        好吧， 现在要解决问题， 要检测死连接， 我们还是要继续介绍心跳机制， 好在， 是有接口可以改变心跳参数的。 让我稍微有点不太乐意的是： 为什么心跳机制检测死连接后， 不指定一个回调的函数接口呢？ 不过， 也没关系， 既然你不提供， 那我就开个线程来检测。

        当客户端将心跳发给服务端后， 眼巴巴地期望得到服务端的反馈， 如果没有收到反馈， 协议栈自然有理由认为客户端是死连接了(于是， 客户端会发RST包重置链接， 也就是说， 这链接时无效的了)，则之后客户端的任何I/O操作或者待处理的I/O操作都将失败。 所以， 自然可以用recv去检测啊， 用recv函数去偷窥接收的内核缓冲区中的数据， 如果反馈-1, 那就表明通信断了(请注意， 实际上， 在此处，recv函数的目的不是为了去获取数据， 也不是为了去探测什么数据， 而是简单地执行一个io操作， 一旦启动心跳机制，协议栈检测到网络异常后，io操作就会自然失败。之所以选择recv， 并把最后一个参数置为MSG_PEEK,  是因为我们要找到一个不影响主线程通信的io操作函数 )。 顺便说一句， 之前说过， 如果服务端主动关闭通信的socket, 客户端的recv函数会返回0, 所以， 综合起来说， 为了检测出连接的异常， 我们用<=0进行判断。

        也啰嗦不少了， 下面给出带有心跳机制的客户端代码吧（说明， 在本文中， 我们认为检测和监测是同义词）：

#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define SIO_KEEPALIVE_VALS _WSAIOW(IOC_VENDOR, 4)

// tcp keepalive结构体
typedef struct tcp_keepalive
{
u_long onoff;
u_long keepalivetime;
u_long keepaliveinterval;
}TCP_KEEPALIVE;

// 通信的socket
SOCKET sockClient = 0;

// 监测线程
DWORD WINAPI monitorThread(LPVOID pM)
{
while(1)
{
char szRecvBuf[10] = {0};
int nRet = recv(sockClient, szRecvBuf, 1, MSG_PEEK); // 注意， 最后一个参数必须是MSG_PEEK， 否则会影响主线程接收信息
if(nRet <= 0) // 实际上， 等于0表示服务端主动关闭通信socket
{
printf("监测到啦: nRet is %d\n", nRet);
closesocket(sockClient);
break;
}

Sleep( 200);
}

return 0;
}

int main()
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
wVersionRequested = MAKEWORD( 1, 1);

WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
sockClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);


// 启用tcp keepalive机制
#if 1
// 设置SO_KEEPALIVE
int iKeepAlive = 1;
int iOptLen = sizeof(iKeepAlive);
setsockopt(sockClient, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, ( char *)&iKeepAlive, iOptLen);

TCP_KEEPALIVE inKeepAlive = { 0, 0, 0};
unsigned long ulInLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE);
TCP_KEEPALIVE outKeepAlive = { 0, 0, 0};
unsigned long ulOutLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE);
unsigned long ulBytesReturn = 0;

// 设置心跳参数
inKeepAlive.onoff = 1; // 是否启用
inKeepAlive.keepalivetime = 1000; // 在tcp通道空闲1000毫秒后， 开始发送心跳包检测
inKeepAlive.keepaliveinterval = 500; // 心跳包的间隔时间是500毫秒

/*
补充上面的"设置心跳参数"：
当没有接收到服务器反馈后，对于不同的Windows版本，客户端的心跳尝试次数是不同的，
比如， 对于Win XP/2003而言, 最大尝试次数是5次， 其它的Windows版本也各不相同。
当然啦， 如果是在Linux上， 那么这个最大尝试此时其实是可以在程序中设置的。
*/


// 调用接口， 启用心跳机制
WSAIoctl(sockClient, SIO_KEEPALIVE_VALS,
&inKeepAlive, ulInLen,
&outKeepAlive, ulOutLen,
&ulBytesReturn, NULL, NULL);
#endif

SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr( "192.168.1.102");
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_port = htons( 8888);
connect(sockClient, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));

// 开启监测线程
HANDLE handle = CreateThread( NULL, 0, monitorThread, NULL, 0, NULL);

while(1); // 卡住

CloseHandle(handle);
closesocket(sockClient);
WSACleanup();

return 0;
}

      我们重做实验一， 也就是如下的实验二：

      先启动服务端， 再启动有心跳机制的客户端， 建立tcp连接。  用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态， 发现是已经建立连接了。

      情形1:

      断掉下行网线2, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态变了， 且“监测到啦: nRet is -1”打印， 但服务端的socket状态没有变化。 这说明：客户端有感知， 但服务端没有感知。 此时， 服务端是死连接。 （因为服务端没有心跳， 所以还是检测不了服务端的死连接）

      情形2:

      断掉下行网线3, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态变了， 且有“监测到啦: nRet is -1”打印， 且服务端的socket状态有变化。 这说明：客户端的心跳感知到了死连接， 而且服务端地自己本身的异常也是有感知的（不是借助心跳机制）。

      情形3:

      断掉上行网线1, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态未变， 且没有“监测到啦: nRet is -1”打印， 且服务端的socket状态也没有变化。 而且这个时候， tcp连接并不是死连接， 还是活的， 还可以正常通信。 （此时， 通信ok, 没有死连接,  所以心跳机制不会检测到什么死连接）。 有意思的是， 此时， 我pc1上的QQ和pc2上的QQ过了一段时间都各自断了， 说明腾讯QQ客户端也有心跳机制。注意， pc1上的QQ和pc2上的QQ不直接通信哈。

      情形4:

      断掉路由器电源4, 用netstat -nao | findstr 8888查看两侧的socket状态, 发现客户端socket状态变化， 且有“监测到啦: nRet is -1”打印， 服务端的socket状态也变化。 说明这个时候， 客户端有感知， 服务端也有感知， 两侧都不存在死连接。 (不要心跳机制都能检测到啊， 何况有了心跳机制)

      情形5: 

     直接对pc1的电源线5进行断电（当然， 也要把笔记本pc1的电源拔出来才算数），客户端肯定就没了啊。 此时， 服务端socket状态并没有变化， 说明服务端是没有感知的， 服务端是死连接。（因为服务端没有心跳， 所以还是检测不了服务端死连接）

      情形6: 

     直接对pc2的电源线6进行断电（当然， 也要把笔记本pc2的电源拔出来才算数），服务端肯定就没了啊。 此时，客户端socket状态有变化， 且有“监测到啦: nRet is -1”打印, 说明客户端的心跳对死连接是有感知的。

      看来， 心跳机制确实生效了， 以上介绍的主要是tcp协议栈自身提供的心跳机制， 当然， 我们也可以自己在应用层写写自己的心跳机制， 代码会相对复杂一些， 但灵活度也会更大。 从作用上来讲， 殊途同归。总之， 借助心跳机制， 可以检测到tcp连接的异常。

      最后， 我们来简要说说另外一种网络结构， 假设把pc1和pc2直接用网线相连， 建立起世界最小局域网，  并形成tcp连接。如果在客户端和服务端都没有心跳机制，那么实验结果如下

     1. 如果断掉其中的网线， 客户端和服务端都没有感知。

     2. 客户端突然断电， 则服务端没有感知。

     3.服务端突然断电， 则客户端没有感知。

      有兴趣的朋友可以验证一下上述结果。

      好了， 心跳机制的介绍到此为止。 未来， 路漫漫， 但必将继续勇敢前行！

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