網絡編程：心跳檢測--保證連接有效

心跳檢測-gateway-worker手冊

為什么需要心跳檢測？

正常的情況客戶端斷開連接會向服務端發送一個fin包，服務端收到fin包后得知客戶端連接斷開，則立刻觸發onClose事件回調。

但是有些極端情況如客戶端掉電、網絡關閉、拔網線、路由故障等，這些極端情況客戶端無法發送fin包給服務端，服務端便無法知道連接已經斷開。如果客戶端與服務端定時有心跳數據傳輸，則會比較及時的發現連接斷開，觸發onClose事件回調。

另外路由節點防火牆會關閉長時間不通訊的socket連接，導致socket長連接斷開。所以需要客戶端與服務端定時發送心跳數據保持連接不被斷開。

心跳檢測的原理是什么？

客戶端定時每X秒(推薦小於60秒)向服務端發送特定數據(任意數據都可)，服務端設定為X秒沒有收到客戶端心跳則認為客戶端掉線，並關閉連接觸發onClose回調。這樣即通過心跳檢測請求維持了連接(避免連接因長時間不活躍而被網關防火牆關閉)，也能讓服務端比較及時的知道客戶端是否異常掉線。

保持對網絡的連接有效性的檢測，在項目中必須關注的點。

一、TCP Keep-Alive 選項

TCP 有一個保持活躍的機制叫做 Keep-Alive，該機制的原理如下：

定義一個時間段，在這個時間段內，如果沒有任何連接相關的活動，TCP 保活機制會開始作用，每隔一個時間間隔，發送一個探測報文，該探測報文包含的數據非常少，如果連續幾個探測報文都沒有得到響應，則認為當前的 TCP 連接已經死亡，系統內核將錯誤信息通知給上層應用程序。

可定義變量，分別被稱為保活時間、保活時間間隔和保活探測次數。在 Linux 系統中，這些變量分別對應 sysctl 變量net.ipv4.tcp_keepalive_time、net.ipv4.tcp_keepalive_intvl、 net.ipv4.tcp_keepalve_probes，默認設置是 7200 秒（2 小時）、75 秒和 9 次探測。
開啟了 TCP 保活，需要考慮以下幾種情況：

• 第一種，對端程序是正常工作的。當 TCP 保活的探測報文發送給對端, 對端會正常響應，這樣 TCP 保活時間會被重置，等待下一個 TCP 保活時間的到來。
• 第二種，對端程序崩潰並重啟。當 TCP 保活的探測報文發送給對端后，對端是可以響應的，但由於沒有該連接的有效信息，會產生一個 RST 報文，這樣很快就會發現 TCP 連接已經被重置。
• 第三種，是對端程序崩潰，或對端由於其他原因導致報文不可達。當 TCP 保活的探測報文發送給對端后，石沉大海，沒有響應，連續幾次，達到保活探測次數后，TCP 會報告該 TCP 連接已經死亡。

TCP 保活機制默認是關閉的，當我們選擇打開時，可以分別在連接的兩個方向上開啟，也可以單獨在一個方向上開啟。如果開啟服務器端到客戶端的檢測，就可以在客戶端非正常斷連的情況下清除在服務器端保留的“臟數據”；而開啟客戶端到服務器端的檢測，就可以在服務器無響應的情況下，重新發起連接。

應用層探活

通過在應用程序中模擬 TCP Keep-Alive 機制，來完成在應用層的連接探活
以設計一個 PING-PONG 的機制，需要保活的一方，比如客戶端，在保活時間達到后，發起對連接的 PING 操作，如果服務器端對 PING 操作有回應，則重新設置保活時間，否則對探測次數進行計數，如果最終探測次數達到了保活探測次數預先設置的值之后，則認為連接已經無效。
關鍵點：
第一個是需要使用定時器，這可以通過使用 I/O 復用自身的機制來實現；第二個是需要設計一個 PING-PONG 的協議。
消息格式設計：

typedef struct {
    u_int32_t type;
    char data[1024];
} messageObject;

#define MSG_PING          1
#define MSG_PONG          2
#define MSG_TYPE1        11
#define MSG_TYPE2        21

消息對象是一個結構體，前 4 個字節標識了消息類型
設計了MSG_PING、MSG_PONG、MSG_TYPE 1和MSG_TYPE 2四種消息類型。

客戶端程序

客戶端完全模擬 TCP Keep-Alive 的機制，在保活時間達到后，探活次數增加 1，同時向服務器端發送 PING 格式的消息，此后以預設的保活時間間隔，不斷地向服務器端發送 PING 格式的消息。如果能收到服務器端的應答，則結束保活，將保活時間置為 0。

#include "lib/common.h"
#include "message_objecte.h"

#define    MAXLINE     4096
#define    KEEP_ALIVE_TIME  10
#define    KEEP_ALIVE_INTERVAL  3
#define    KEEP_ALIVE_PROBETIMES  3


int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: tcpclient <IPaddress>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
    int connect_rt = connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
    if (connect_rt < 0) {
        error(1, errno, "connect failed ");
    }

    char recv_line[MAXLINE + 1];
    int n;

    fd_set readmask;
    fd_set allreads;


    struct timeval tv;
    int heartbeats = 0;

    tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
    tv.tv_usec = 0;

    messageObject messageObject;

    FD_ZERO(&allreads);
    FD_SET(0, &allreads);
    FD_SET(socket_fd, &allreads);
    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, &tv);
        if (rc < 0) {
            error(1, errno, "select failed");
        }
        if (rc == 0) {
            if (++heartbeats > KEEP_ALIVE_PROBETIMES) {
                error(1, 0, "connection dead\n");
            }
            printf("sending heartbeat #%d\n", heartbeats);
            messageObject.type = htonl(MSG_PING);
            rc = send(socket_fd, (char *) &messageObject, sizeof(messageObject), 0);
            if (rc < 0) {
                error(1, errno, "send failure");
            }
            tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_INTERVAL;
            continue;
        }
        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "read error");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "server terminated \n");
            }
            printf("received heartbeat, make heartbeats to 0 \n");
            heartbeats = 0;
            tv.tv_sec = KEEP_ALIVE_TIME;
        }
    }
}

第一部分：socket套接字的連接
第二部分：select定時器准備，其中設置了超時時間KEEP_ALIVE_TIME，相當於保活時間，初始化select函數套接字
第三部分：處理心跳報文
當KEEP_ALIVE_TIME這段時間達到之后，select函數會返回0，進行相應的處理流程中
客戶端已經在KEEP_ALIVE_TIME這段時間內沒有收到任何對當前連接的反饋，於是發起PING消息，這里通過傳送一個類型為MSG_PING的消息對象來完成PING操作。
當客戶端在收到服務器的消息的處理中， 實際工作中，需要對報文進行解析后處理。這里只是簡單將探活計數器和探活時間置零，等待下一次探活時間的來臨。

服務器端程序

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// Created by shengym on 2019-07-07.
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#include "lib/common.h"
#include "message_objecte.h"

static int count;

static void sig_int(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}


int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: tcpsever <sleepingtime>");
    }

    int sleepingTime = atoi(argv[1]);

    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    signal(SIGINT, sig_int);
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    int connfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    messageObject message;
    count = 0;

    for (;;) {
        int n = read(connfd, (char *) &message, sizeof(messageObject));
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }

        printf("received %d bytes\n", n, message);
        count++;

        switch (ntohl(message.type)) {
            case MSG_TYPE1 :
                printf("process  MSG_TYPE1 \n");
                break;

            case MSG_TYPE2 :
                printf("process  MSG_TYPE2 \n");
                break;

            case MSG_PING: {
                messageObject pong_message;
                pong_message.type = MSG_PONG;
                sleep(sleepingTime);
                ssize_t rc = send(connfd, (char *) &pong_message, sizeof(pong_message), 0);
                if (rc < 0)
                    error(1, errno, "send failure");
                break;
            }

            default :
                error(1, 0, "unknown message type (%d)\n", ntohl(message.type));
        }

    }

}

效果：
服務端：

客戶端：

服務單休眠時間60秒，當客戶端在發送了三次心跳檢測報文PING報文后，判斷連接無效，直接退出，這是因為在這段時間內沒有收到來自服務器端任何PONG報文。