TCP KeepAlive

TCP Keepalive的起源

TCP 协议中有长连接和短连接之分。短连接环境下，数据交互完毕后，主动释放连接。

长连接的环境下，进行一次数据交互后，很长一段时间内无数据交互时，客户端可能意外断电、死机、崩溃、重启，还是中间路由网络无故断开，这些 TCP 连接并未来得及正常释放，那么，连接的另一方并不知道对端的情况，它会一直维护这个连接，长时间的积累会导致非常多的半打开连接，造成端系统资源的消耗和浪费，且有可能导致在一个无效的数据链路层面发送业务数据，结果就是发送失败。所以服务器端要做到快速感知失败，减少无效链接操作，这就有了 TCP 的 Keepalive（保活探测）机制。

TCP Keepalive工作原理

当一个 TCP 连接建立之后，启用 TCP Keepalive 的一端便会启动一个计时器，当这个计时器数值到达 0 之后（也就是经过 tcp_keep-alive_time 时间后，这个参数之后会讲到），一个 TCP 探测包便会被发出。这个 TCP 探测包是一个纯 ACK 包（规范建议，不应该包含任何数据，但也可以包含 1 个无意义的字节，比如 0x0。），其 Seq 号与上一个包是重复的，所以其实探测保活报文不在窗口控制范围内。

如果一个给定的连接在两小时内（默认时长）没有任何的动作，则服务器就向客户发一个探测报文段，客户主机必须处于以下 4 个状态之一：

客户主机依然正常运行，并从服务器可达。客户的 TCP 响应正常，而服务器也知道对方是正常的，服务器在两小时后将保活定时器复位。
客户主机已经崩溃，并且关闭或者正在重新启动。在任何一种情况下，客户的 TCP 都没有响应。服务端将不能收到对探测的响应，并在 75 秒后超时。服务器总共发送 10 个这样的探测，每个间隔 75 秒。如果服务器没有收到一个响应，它就认为客户主机已经关闭并终止连接。
客户主机崩溃并已经重新启动。服务器将收到一个对其保活探测的响应，这个响应是一个复位，使得服务器终止这个连接。
客户机正常运行，但是服务器不可达，这种情况与 2 类似，TCP 能发现的就是没有收到探测的响应。

对于 linux 内核来说，应用程序若想使用 TCP Keepalive，需要设置 SO_KEEPALIVE 套接字选项才能生效。有三个重要的参数：

tcp_keepalive_time，在 TCP 保活打开的情况下，最后一次数据交换到 TCP 发送第一个保活探测包的间隔，即允许的持续空闲时长，或者说每次正常发送心跳的周期，默认值为 7200s（2h）。
tcp_keepalive_probes 在 tcp_keepalive_time 之后，没有接收到对方确认，继续发送保活探测包次数，默认值为 9（次）。
tcp_keepalive_intvl，在 tcp_keepalive_time 之后，没有接收到对方确认，继续发送保活探测包的发送频率，默认值为 75s。

其他编程语言有相应的设置方法，这里只谈 linux 内核参数的配置。例如 C 语言 中的 setsockopt() 函数，java 的 Netty 服务器框架中也提供了相关接口。

TCP Keepalive作用

探测连接的对端是否存活

在应用交互的过程中，可能存在以下几种情况：
- 客户端或服务器意外断电，死机，崩溃，重启。
- 中间网络已经中断，而客户端与服务器并不知道。
利用保活探测功能，可以探知这种对端的意外情况，从而保证在意外发生时，可以释放半打开的 TCP 连接。
防止中间设备因超时删除连接相关的连接表

中间设备如防火墙等，会为经过它的数据报文建立相关的连接信息表，并为其设置一个超时时间的定时器，如果超出预定时间，某连接无任何报文交互的话，

中间设备会将该连接信息从表中删除，在删除后，再有应用报文过来时，中间设备将丢弃该报文，从而导致应用出现异常。

TCP Keepalive可能导致的问题

Keepalive 技术只是 TCP 技术中的一个可选项。因为不当的配置可能会引起一些问题，所以默认是关闭的。可能导致下列问题：

在短暂的故障期间，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。
需要消耗额外的宽带和流量。
在以流量计费的互联网环境中增加了费用开销。

TCP Keepalive与HTTP Keep-Alive关系

很多人会把 TCP Keepalive 和 HTTP Keep-Alive 这两个概念搞混淆。这里简单介绍下 HTTP Keep-Alive。

在 HTTP/1.0 中，默认使用的是短连接。也就是说，浏览器和服务器每进行一次 HTTP 操作，就建立一次连接，但任务结束就中断连接。如果客户端浏览器访问的某个 HTML 或其他类型的 Web 页中包含有其他的 Web 资源，如 JavaScript 文件、图像文件、CSS 文件等；当浏览器每遇到这样一个 Web 资源，就会建立一个 HTTP 会话。

但从 HTTP/1.1起，默认使用长连接，用以保持连接特性。使用长连接的 HTTP 协议，会在响应头加上 Connection、Keep-Alive 字段。

HTTP 协议的 Keep-Alive 意图在于 TCP 连接复用，同一个连接上串行方式传递请求-响应数据；TCP 的 Keepalive 机制意图在于探测连接的对端是否存活。