HTTP keep-alive和TCP keepalive

HTTP keep-alive和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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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：

1. 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）。
   

2. 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）
   

3. 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

1. 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：

（1）客户端或服务器意外断电，死机，崩溃，重启。

（2）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。

2. 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。

此段参考：https://www.cnblogs.com/hukey/p/5481173.html

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：

1. 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
   

2. 需要消耗额外的宽带和流量
   

3. 在以流量计费的互联网环境中增加了费用开销
   

实验

这里，强烈推荐《TCP/IP详解 卷1:协议》的第二版（这里一定是第二版）， 第17章：TCP保活机制。这里建议17章都看，17.1和17.2小节就涵盖了我上面介绍的内容。

17.2.1 小节中还通过实验的方式详细验证了“对端主机会处于以下四种状态”以及对于这四种状态TCP都是如何去处理。

这本书中的实验已经比较通俗易懂了，我暂且没有亲自动手去模拟实践，后续时间充足，会亲自动手进行实验。

扩展

上面提到了三个参数保活时间：tcp_keepalive_time、探测时间间隔：tcp_keepalive_intvl、探测循环次数：tcp_keepalive_probes。

这三个参数，在linux上可以在/proc/sys/net/ipv4/路径下找到，或者通过sysctl -a | grep keepalive命令查看当前内核运行参数。

[root@vm01 ~]# cd /proc/sys/net/ipv4
[root@vm01 ipv4]# pwd
/proc/sys/net/ipv4
[root@vm01 ipv4]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
7200
[root@vm01 ipv4]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes
9
[root@vm01 ipv4]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl
75
[root@vm01 ipv4]# sysctl -a | grep keepalive
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

• 保活时间（tcp_keepalive_time）默认：7200秒
• 保活时间间隔（tcp_keepalive_intvl）默认：75秒
• 探测循环次数（tcp_keepalive_probes）默认：9次

也就是默认情况下一条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秒后会自动断开TCP连接。

别走开，还有一个骚操作

Linux平台下我们还可以借助man命令查看TCP协议的一些描述和参数定义。下面两个命令的效果相同：

• 命令一：man tcp
• 命令二：man 7 tcp

数字7的含义是：man命令使用手册共9章，TCP的帮助手册位于第7章。不知道在第几章也无所谓，使用man tcp也可，弹出的手册左上角也有写第几章。(man ls等同于man 1 ls、man ip等同于man 8 ip，可以自己尝试使用 )。

下面我们看下man tcp下的和我们本文有关的几个点：

上面介绍的三个参数tcp_keepalive_time、tcp_keepalive_intvl、tcp_keepalive_probes都是系统级别的，针对整个系统生效。下面介绍针对单条Socket连接细粒度设置的三个选项参数：保活时间：TCP_KEEPIDLE、保活探测时间间隔：TCP_KEEPINTVL、探测循环次数：TCP_KEEPCNT

在我们的Netty的框架中可以看到针对Socket选项的配置，如使用epoll的IO模型中EpollSocketChannelConfig类中的配置：

更多细节，等你挖掘。

HTTP keep-alive

在早期的http1.0中，默认就是上述介绍的这种“请求-应答”模式。这种方式频繁的创建连接和销毁连接无疑是有一定性能损耗的。

所以引入了keep-alive机制。http1.0默认是关闭的，通过http请求头设置“connection: keep-alive”进行开启；http1.1中默认开启，通过http请求头设置“connection: close”关闭。

keep-alive机制：若开启后，在一次http请求中，服务器进行响应后，不再直接断开TCP连接，而是将TCP连接维持一段时间。在这段时间内，如果同一客户端再次向服务端发起http请求，便可以复用此TCP连接，向服务端发起请求，并重置timeout时间计数器，在接下来一段时间内还可以继续复用。这样无疑省略了反复创建和销毁TCP连接的损耗。

实验

下面用两组实验证明HTTP keep-alive的存在。

实验工具：Wireshark

客户端IP：..3.52

服务端IP：..17.254

实验一：禁用keep-alive的http请求

从上图请求列表区中，我们可以发现：

• 106、107、108三个请求是TCP建立连接三次握手的请求
• 109、110两个请求分别是：http的请求报文和http的响应报文
• 111、112、120、121这四个请求是TCP断开连接四次挥手的请求

（由于一台机器上网络请求较多，我加了筛选条件，仅显示客户端和服务端通信的网络请求，所以请求的序号是不连续的）

从上图中间的请求数据解析区，可以确定：此次http请求的请求头中有“Connection: close”，即keep-alive是关闭的。

结论：禁用keep-alive的http请求时，会先建立TCP连接，然后发送报文、响应报文、最后断开TCP连接。

实验二：启用keep-alive的http请求

这次实验请求较多，一张图放不下，两张图是连续的，图1的第二块绿色区域和图2的第一块绿色区域是重叠的（注意看第一列的No.编号）

先说下我的操作：

1. 开启keep-alive前提下发起第一次http请求
2. 7秒左右时，同样的机器同样的http请求，再重新调用一次

我们根据图中抓包，分析下网络请求：

• 197、198、199请求：三次握手建立TCP建立连接
• 200、203请求：http的请求报文和http的响应报文
• 212请求：可以通过Protocol列看到它是一条TCP报文。我的理解是：在keep-alive这种机制下，客户端收到服务端响应报文后，需要告知服务端“已收到”。由于要复用TCP连接，所以会多一层保障机制，类似TCP的握手和挥手
• 459-1965请求（图1中的第一块黑色区域中）：6秒内（第二列代表Time），每隔1秒，发生一对TCP请求的来回，用来维护TCP连接的可用性。保证和等待该TCP连接被复用
• 1743、1744、1745、1755请求：其中的1743和1745是我第二次发起http请求的请求报文和响应报文。1744请求是：客户端发起请求时，服务端先回复客户端“已收到，马上处理”。紧接着1745将结果响应给客户端。1755则是客户端收到响应后，回复服务端“已收到响应，多谢”。
• 2028-3903请求：10秒内，每隔1秒，发生一对TCP请求的来回，用来维护TCP连接的可用性。保证和等待该TCP连接被复用
• 4127-4131请求：10秒内我没再发起http请求，四次挥手断开TCP连接。长时间没被复用，也没必要一直维持下去，浪费资源，还可能造成网络拥堵。

注意：10秒无请求，TCP连接在断开，10秒也不是默认的，只是环境的配置。是Httpd守护进程，提供的keep-alive timeout时间设置参数。比如nginx的keepalive_timeout，和Apache的KeepAliveTimeout。

扩展

其实对于HTTP keep-alive机制可以总结为上图所示。

启用HTTP keep-Alive的优缺点： 优点：keep-alive机制避免了频繁建立和销毁连接的开销。 同时，减少服务端TIME_WAIT状态的TCP连接的数量(因为由服务端进程主动关闭连接) 缺点：若keep-alive timeout设置的时间较长，长时间的TCP连接维持，会一定程度的浪费系统资源。

总体而言，HTTP keep-Alive的机制还是利大于弊的，只要合理使用、配置合理的timeout参数。

总结

HTTP和TCP的长连接有何区别？HTTP中的keep-alive和TCP中keepalive又有什么区别？

1、TCP连接往往就是我们广义理解上的长连接，因为它具备双端连续收发报文的能力；开启了keep-alive的HTTP连接，也是一种长连接，但是它由于协议本身的限制，服务端无法主动发起应用报文。

2、TCP中的keepalive是用来保鲜、保活的；HTTP中的keep-alive机制主要为了让支撑它的TCP连接活的的更久，所以通常又叫做：HTTP persistent connection（持久连接） 和 HTTP connection reuse（连接重用）。

TCP Keepalive HTTP Keep-Alive 的关系

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.如下图所示

HTTP 1.0 和 1.1 在 TCP连接使用方面的差异如下图所示

上面说明后，其实就可以知道这两者的区别了。

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。

参考资料：

https://blog.csdn.net/chrisnotfound/article/details/80111559

https://zhuanlan.zhihu.com/p/224595048

PS：

HTTP keep-alive章节的实验结果：无论开启keep-alive与否，最终由服务端主动断开TCP连接。

但是我给出问题的答案是：通常由服务端主动关闭连接。没有写“肯定由服务端主动关闭连接”的原因是，我没遇到客户端主动关闭连接的场景，并不代表没有。网络和协议博大精深，等待我们继续去探索。