传输层 TCP 协议保活机制总结（TCP 长连接）

发表于 更新于

什么是 TCP keepalive?

The keepalive concept is very simple: when you set up a TCP connection, you associate a set of timers.

为什么使用 TCP keepalive ?

TCP 是一个基于连接的协议，其连接状态是由一个状态机进行维护，连接完毕后，双方都会处于 established 状态，默认情况下，这之后的状态并不会主动进行变化。这意味着如果上层不进行任何调用，一直使 TCP 连接空闲，那么这个连接虽然没有任何数据，但仍然保持连接状态，一天、一星期、甚至一个月，即使在这期间：

  • 对端主机系统奔溃
  • 中间路由原因（如奔溃重启、NAT 转换表移除该记录）

TCP keepalive 的两个目标

Checking for dead peers

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|  A  |                                                   |  B  | 
|_____|                                                   |_____| 
   ^                                                         ^ 
   |--->--->--->-------------- SYN -------------->--->--->---| 
   |---<---<---<------------ SYN/ACK ------------<---<---<---| 
   |--->--->--->-------------- ACK -------------->--->--->---| 
   |                                                         | 
   |                                       system crash ---> X 
   | 
   |                                     system restart ---> ^ 
   |                                                         | 
   |--->--->--->-------------- PSH -------------->--->--->---| 
   |---<---<---<-------------- RST --------------<---<---<---| 
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Preventing disconnection due to network inactivity

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|  A  |         | NAT |                                   |  B  | 
|_____|         |_____|                                   |_____| 
   ^               ^                                         ^ 
   |--->--->--->---|----------- SYN ------------->--->--->---| 
   |---<---<---<---|--------- SYN/ACK -----------<---<---<---| 
   |--->--->--->---|----------- ACK ------------->--->--->---| 
   |               |                                         | 
   |               | <--- connection deleted from NAT table  | 
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   |--->- PSH ->---| <--- invalid connection                 | 
   |               |                                         |

Linux 使用 TCP keepalive

Linux 有内置的 keepalive 支持，配置如下：

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$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 
7200 
$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes 
9 
$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl 
75 

$ sysctl -a | grep keepalive 
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200 
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9 
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

# 查看 TCP 协议的一些描述和参数定义（man 命令使用手册共 9 章，TCP 的帮助手册位于第 7 章）
$ man tcp
$ man 7 tcp

上述参数表示：默认情况下一条 TCP 连接在 2 小时（7200 秒）都没有报文交换后，会开始进行保活探测，若再经过 9*75 秒 = 11 分钟 15 秒的循环探测都未收到探测响应（即共计：2 小时 11 分钟 15 秒），就会自动断开 TCP 连接。

在探测过程中，对方主机会处于以下四种状态之一：

状态 处理方式
对方主机仍在工作，并且可达 TCP 连接正常，将 keepalive 计时器重置
对方主机崩溃，并且已经重启 重启后原连接已失效，对方主机由于不认识探测报文，会响应重置报文段（RST） TCP 连接断开重连
对方主机已崩溃（已关机或者正在重启） TCP 连接不正常，请求端经过指定次数的探测依然没得到响应 TCP 连接断开重连
对方主机仍在工作，但由于网络原因不可达 TCP 连接不正常，请求端经过指定次数的探测依然没得到响应 TCP 连接断开重连

应用程序使用 TCP keepalive

TCP keepalive configuration

参考

《TCP/IP 详解 卷 1: 协议》第二版，第 17 章：TCP Keepalive 保活机制》

https://tldp.org/HOWTO/TCP-Keepalive-HOWTO/index.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Keepalive

https://linux.die.net/man/7/tcp

《HTTP 长连接和 TCP 长连接有区别？图解》

《HTTP keep-alive 和 TCP keepalive 的区别，你了解吗？》