TCP的定时器系列 — 保活定时器
主要内容：保活定时器的实现，TCP_USER_TIMEOUT选项的实现。
内核版本：3.15.2
我的博客：http://blog.csdn.net/zhangskd
原理
HTTP有Keepalive功能，TCP也有Keepalive功能，虽然都叫Keepalive，但是它们的目的却是不一样的。
为了说明这一点，先来看下长连接和短连接的定义。
连接的“长短”是什么？
短连接：建立一条连接，传输一个请求，马上关闭连接。
长连接：建立一条连接，传输一个请求，过会儿，又传输若干个请求，最后再关闭连接。
长连接的好处是显而易见的，多个请求可以复用一条连接，省去连接建立和释放的时间开销和系统调用，
但也意味着服务器的一部分资源会被长时间占用着。
HTTP的Keepalive，顾名思义，目的在于延长连接的时间，以便在同一条连接中传输多个HTTP请求。
HTTP服务器一般会提供Keepalive Timeout参数，用来决定连接保持多久，什么时候关闭连接。
当连接使用了Keepalive功能时，对于客户端发送过来的一个请求，服务器端会发送一个响应，然后开始计时，
如果经过Timeout时间后，客户端没有再发送请求过来，服务器端就把连接关了，不再保持连接了。
TCP的Keepalive，是挂羊头卖狗肉的，目的在于看看对方有没有发生异常，如果有异常就及时关闭连接。
当传输双方不主动关闭连接时，就算双方没有交换任何数据，连接也是一直有效的。
如果这个时候对端、中间网络出现异常而导致连接不可用，本端如何得知这一信息呢？
答案就是保活定时器。它每隔一段时间会超时，超时后会检查连接是否空闲太久了，如果空闲的时间超过
了设置时间，就会发送探测报文。然后通过对端是否响应、响应是否符合预期，来判断对端是否正常，
如果不正常，就主动关闭连接，而不用等待HTTP层的关闭了。
当服务器发送探测报文时，客户端可能处于4种不同的情况：仍然正常运行、已经崩溃、已经崩溃并重启了、
由于中间链路问题不可达。在不同的情况下，服务器会得到不一样的反馈。
(1) 客户主机依然正常运行，并且从服务器端可达
客户端的TCP响应正常，从而服务器端知道对方是正常的。保活定时器会在两小时以后继续触发。
(2) 客户主机已经崩溃，并且关闭或者正在重新启动
客户端的TCP没有响应，服务器没有收到对探测包的响应，此后每隔75s发送探测报文，一共发送9次。
socket函数会返回-1，errno设置为ETIMEDOUT，表示连接超时。
(3) 客户主机已经崩溃，并且重新启动了
客户端的TCP发送RST，服务器端收到后关闭此连接。
socket函数会返回-1，errno设置为ECONNRESET，表示连接被对端复位了。
(4) 客户主机依然正常运行，但是从服务器不可达
双方的反应和第二种是一样的，因为服务器不能区分对端异常与中间链路异常。
socket函数会返回-1，errno设置为EHOSTUNREACH，表示对端不可达。
选项
内核默认并不使用TCP Keepalive功能，除非用户设置了SO_KEEPALIVE选项。
有两种方式可以自行调整保活定时器的参数：一种是修改TCP参数，一种是使用TCP层选项。
(1) TCP参数
tcp_keepalive_time
最后一次数据交换到TCP发送第一个保活探测报文的时间，即允许连接空闲的时间，默认为7200s。
tcp_keepalive_intvl
保活探测报文的重传时间，默认为75s。
tcp_keepalive_probes
保活探测报文的发送次数，默认为9次。
Q：一次完整的保活探测需要花费多长时间？
A：tcp_keepalive_time + tcp_keepalive_intvl * tcp_keepalive_probes，默认值为7875s。
如果觉得两个多小时太长了，可以自行调整上述参数。
(2) TCP层选项
TCP_KEEPIDLE：含义同tcp_keepalive_time。
TCP_KEEPINTVL：含义同tcp_keepalive_intvl。
TCP_KEEPCNT：含义同tcp_keepalive_probes。
Q：既然有了TCP参数可供调整，为什么还增加了上述的TCP层选项？
A：TCP参数是面向本机的所有TCP连接，一旦调整了，对所有的连接都有效。
而TCP层选项是面向一条连接的，一旦调整了，只对本条连接有效。
激活
在连接建立后，可以通过设置SO_KEEPALIVE选项，来激活保活定时器。
int keepalive = 1;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keepalive, sizeof(keepalive));
int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval,
unsigned int optlen)
{
...
case SO_KEEPALIVE:
#ifdef CONFIG_INET
if (sk->sk_protocol == IPPROTO_TCP && sk->sk_type == SOCK_STREAM)
tcp_set_keepalive(sk, valbool); /* 激活或删除保活定时器 */
#endif
sock_valbool_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN, valbool); /* 设置或取消SOCK_KEEPOPEN标志位 */
break;
...
}
static inline void sock_valbool_flag (struct sock *sk, int bit, int valbool)
{
if (valbool)
sock_set_flag(sk, bit);
else
sock_reset_flag(sk, bit);
}void tcp_set_keepalive(struct sock *sk, int val)
{
/* 不在以下两个状态设置保活定时器：
* TCP_CLOSE：sk_timer用作FIN_WAIT2定时器
* TCP_LISTEN：sk_timer用作SYNACK重传定时器
*/
if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN))
return;
/* 如果SO_KEEPALIVE选项值为1，且此前没有设置SOCK_KEEPOPEN标志，
* 则激活sk_timer，用作保活定时器。
*/
if (val && !sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN))
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, keepalive_time_when(tcp_sk(sk)));
else if (!val)
/* 如果SO_KEEPALIVE选项值为0，则删除保活定时器 */
inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);
}
/* 保活定时器的超时时间 */
static inline int keepalive_time_when(const struct tcp_sock *tp)
{
return tp->keepalive_time ? : sysctl_tcp_keepalive_time;
}
void inet_csk_reset_keepalive_timer (struc sock *sk, unsigned long len)
{
sk_reset_timer(sk, &sk->sk_timer, jiffies + len);
}
可以使用TCP层选项来动态调整保活定时器的参数。
int keepidle = 600;
int keepintvl = 10;
int keepcnt = 6;
setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, &keepidle, sizeof(keepidle));
setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, &keepintvl, sizeof(keepintvl));
setsockopt(fd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, &keepcnt, sizeof(keepcnt));
struct tcp_sock {
...
/* 最后一次接收到ACK的时间 */
u32 rcv_tstamp; /* timestamp of last received ACK (for keepalives) */
...
/* time before keep alive takes place, 空闲多久后才发送探测报文 */
unsigned int keepalive_time;
/* time iterval between keep alive probes */
unsigned int keepalive_intvl; /* 探测报文之间的时间间隔 */
/* num of allowed keep alive probes */
u8 keepalive_probes; /* 探测报文的发送次数 */
...
struct {
...
/* 最后一次接收到带负荷的报文的时间 */
__u32 lrcvtime; /* timestamp of last received data packet */
...
} icsk_ack;
...
};
#define TCP_KEEPIDLE 4 /* Start Keepalives after this period */
#define TCP_KEEPINTVL 5 /* Interval between keepalives */
#define TCP_KEEPCNT 6 /* Number of keepalives before death */
#define MAX_TCP_KEEPIDLE 32767
#define MAX_TCP_KEEPINTVL 32767
#define MAX_TCP_KEEPCNT 127static int do_tcp_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname, char __user *optval,
unsigned int optlen)
{
...
case TCP_KEEPIDLE:
if (val < 1 || val > MAX_TCP_KEEPIDLE)
err = -EINVAL;
else {
tp->keepalive_time = val * HZ; /* 设置新的空闲时间 */
/* 如果有使用SO_KEEPALIVE选项，连接处于非监听非结束的状态。
* 这个时候保活定时器已经在计时了，这里设置新的超时时间。
*/
if (sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN) &&
!((1 << sk->sk_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN))) {
u32 elapsed = keepalive_time_elapsed(tp); /* 连接已经经历的空闲时间 */
if (tp->keepalive_time > elapsed)
elapsed = tp->keepalive_time - elapsed; /* 接着等待的时间，然后超时 */
else
elapsed = 0; /* 会导致马上超时 */
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, elapsed);
}
}
break;
case TCP_KEEPINTVL:
if (val < 1 || val > MAX_TCP_KEEPINTVL)
err = -EINVAL;
else
tp->keepalive_intvl = val * HZ; /* 设置新的探测报文间隔 */
break;
case TCP_KEEPCNT:
if (val < 1 || val > MAX_TCP_KEEPCNT)
err = -EINVAL;
else
tp->keepalive_probes = val; /* 设置新的探测次数 */
break;
...
}
到目前为止，连接已经经历的空闲时间，即最后一次接收到报文至今的时间。
static inline u32 keepalive_time_elapsed (const struct tcp_sock *tp)
{
const struct inet_connection_sock *icsk = &tp->inet_conn;
/* lrcvtime是最后一次接收到数据报的时间
* rcv_tstamp是最后一次接收到ACK的时间
* 返回值就是最后一次接收到报文，到现在的时间，即经历的空闲时间。
*/
return min_t(u32, tcp_time_stamp - icsk->icsk_ack.lrcvtime,
tcp_time_stamp - tp->rcv_tstamp);
}
超时处理函数
我们知道保活定时器、SYNACK重传定时器、FIN_WAIT2定时器是共用一个定时器实例sk->sk_timer，
所以它们的超时处理函数也是一样的，都为tcp_keepalive_timer()。
而在函数内部，可以根据此时连接所处的状态，来判断是哪个定时器触发了超时。
Q：什么时候判断对端为异常并关闭连接？
A：分两种情况。
1. 用户使用了TCP_USER_TIMEOUT选项。当连接的空闲时间超过了用户设置的时间，且有发送过探测报文。
2. 用户没有使用TCP_USER_TIMEOUT选项。当发送保活探测包的次数达到了保活探测的最大次数时。
static void tcp_keepalive_timer (unsigned long data)
{
struct sock *sk = (struct sock *) data;
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
u32 elapsed;
/* Only process if socket is not in use. */
bh_lock_sock(sk);
/* 加锁以保证在此期间，连接状态不会被用户进程修改。
* 如果用户进程正在使用此sock，那么过50ms再来看看。
*/
if (sock_owned_by_user(sk)) {
/* Try again later. */
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, HZ/20);
goto out;
}
/* 三次握手期间，用作SYNACK定时器 */
if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
tcp_synack_timer(sk);
goto out;
}
/* 连接释放期间，用作FIN_WAIT2定时器 */
if (sk->sk_state == TCP_FIN_WAIT2 && sock_flag(sk, SOCK_DEAD)) {
...
}
/* 接下来就是用作保活定时器了 */
if (!sock_flag(sk, SOCK_KEEPOPEN) || sk->sk_state == TCP_CLOSE)
goto out;
elapsed = keepalive_time_when(tp); /* 连接的空闲时间超过此值，就发送保活探测报文 */
/* It is alive without keepalive.
* 如果网络中有发送且未确认的数据包，或者发送队列不为空，说明连接不是idle的？
* 既然连接不是idle的，就没有必要探测对端是否正常。
* 保活定时器重新开始计时即可。
*
* 而实际上当网络中有发送且未确认的数据包时，对端也可能会发生异常而没有响应。
* 这个时候会导致数据包的不断重传，只能依靠重传超过了允许的最大时间，来判断连接超时。
* 为了解决这一问题，引入了TCP_USER_TIMEOUT，允许用户指定超时时间，可见下文：）
*/
if (tp->packets_out || tcp_send_head(sk))
goto resched; /* 保活定时器重新开始计时 */
/* 连接经历的空闲时间，即上次收到报文至今的时间 */
elapsed = keepalive_time_elapsed(tp);
/* 如果连接空闲的时间超过了设置的时间值 */
if (elapsed >= keepalive_time_when(tp)) {
/* 什么时候关闭连接？
* 1. 使用了TCP_USER_TIMEOUT选项。当连接空闲时间超过了用户设置的时间，且有发送过探测报文。
* 2. 用户没有使用选项。当发送的保活探测包达到了保活探测的最大次数。
*/
if (icsk->icsk_user_timeout != 0 && elapsed >= icsk->icsk_user_timeout &&
icsk->icsk_probes_out > 0) || (icsk->icsk_user_timeout == 0 &&
icsk->icsk_probes_out >= keepalive_probes(tp))) {
tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC); /* 构造一个RST包并发送 */
tcp_write_err(sk); /* 报告错误，关闭连接 */
goto out;
}
/* 如果还不到关闭连接的时候，就继续发送保活探测包 */
if (tcp_write_wakeup(sk) <= 0) {
icsk->icsk_probes_out++; /* 已发送的保活探测包个数 */
elapsed = keepalive_intvl_when(tp); /* 下次超时的时间，默认为75s */
} else {
/* If keepalive was lost due to local congestion, try harder. */
elapsd = TCP_RESOURCE_PROBE_INTERVAL; /* 默认为500ms，会使超时更加频繁 */
}
} else {
/* 如果连接的空闲时间，还没有超过设定值，则接着等待 */
elapsed = keepalive_time_when(tp) - elapsed;
}
sk_mem_reclaim(sk);
resched: /* 重设保活定时器 */
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, elapsed);
goto out;
out:
bh_unlock_sock(sk);
sock_put(sk);
}
Q：TCP是如何发送Keepalive探测报文的？
A：分两种情况。
1. 有新的数据段可供发送，且对端接收窗口还没被塞满。发送新的数据段，来作为探测包。
2. 没有新的数据段可供发送，或者对端的接收窗口满了。发送序号为snd_una - 1、长度为0的ACK包作为探测包。
/* Initiate keepalive or window probe from timer. */
int tcp_write_wakeup (struct sock *sk)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
if (sk->sk_state == TCP_CLOSE)
return -1;
/* 如果还有未发送过的数据包，并且对端的接收窗口还没有满 */
if ((skb = tcp_send_head(sk)) != NULL && before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tcp_wnd_end(tp))) {
int err;
unsigned int mss = tcp_current_mss(sk); /* 当前的MSS */
/* 对端接收窗口所允许的最大报文长度 */
unsigned int seg_size = tcp_wnd_end(tp) - TCP_SKB_CB(skb)->seq;
/* pushed_seq记录发送出去的最后一个字节的序号 */
if (before(tp->pushed_seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq))
tp->pushed_seq = TCP_SKB_CB(skb)->end_seq;
/* 如果对端接收窗口小于此数据段的长度，或者此数据段的长度超过了MSS，那么就要进行分段 */
if (seg_size < TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq || skb->len > mss) {
seg_size = min(seg_size, mss);
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags |= TCPHDR_PSH; /* 设置PSH标志，让对端马上把数据提交给程序 */
if (tcp_fragment(sk, skb, seg_size, mss)) /* 进行分段 */
return -1;
} else if (! tcp_skb_pcount(skb)) /* 进行TSO分片 */
tcp_set_skb_tso_segs(sk, skb, mss); /* 初始化分片相关变量 */
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags |= TCPHDR_PSH;
TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
err = tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, GFP_ATOMIC); /* 发送此数据段 */
if (!err)
tcp_event_new_data_sent(sk, skb); /* 发送了新的数据，更新相关参数 */
} else { /* 如果没有新的数据段可用作探测报文发送，或者对端的接收窗口为0 */
/* 处于紧急模式时，额外发送一个序号为snd_una的ACK包，告诉对端紧急指针 */
if (between(tp->snd_up, tp->snd_una + 1, tp->snd_una + 0xFFFF))
tcp_xmit_probe_skb(sk, 1);
/* 发送一个序号为snd_una -1的ACK包，长度为0，这是一个序号过时的报文。
* snd_una: first byte we want an ack for，所以snd_una - 1序号的字节已经被确认过了。
* 对端会响应一个ACK。
*/
return tcp_xmit_probe_skb(sk, 0);
}
}
Q：当没有新的数据可以用作探测包、或者对端的接收窗口为0时，怎么办呢？
A：发送一个序号为snd_una - 1、长度为0的ACK包，对端收到此包后会发送一个ACK响应。
如此一来本端就能够知道对端是否还活着、接收窗口是否打开了。
/* This routine sends a packet with an out of date sequence number.
* It assumes the other end will try to ack it.
*
* Question: what should we make while urgent mode?
* 4.4BSD forces sending single byte of data. We cannot send out of window
* data, because we have SND.NXT == SND.MAX...
*
* Current solution: to send TWO zero-length segments in urgent mode:
* one is with SEG.SEG=SND.UNA to deliver urgent pointer, another is out-of-date with
* SND.UNA - 1 to probe window.
*/
static int tcp_xmit_probe_skb (struct sock *sk, int urgent)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
/* We don't queue it, tcp_transmit_skb() sets ownership. */
skb = alloc_skb(MAX_TCP_HEADER, sk_gfp_atomic(sk, GFP_ATOMIC));
if (skb == NULL)
return -1;
/* Reserve space for headers and set control bits. */
skb_reserve(skb, MAX_TCP_HEADER);
/* Use a previous sequence. This should cause the other end to send an ack.
* Don't queue or clone SKB, just send it.
*/
/* 如果没有设置紧急指针，那么发送的序号为snd_una - 1，否则发送的序号为snd_una */
tcp_init_nondata_skb(skb, tp->snd_una - !urgent, TCPHDR_ACK);
TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
return tcp_transmit_skb(sk, skb, 0, GFP_ATOMIC); /* 发送探测包 */
}
发送RST包。
/* We get here when a process closes a file descriptor (either due to an explicit close()
* or as a byproduct of exit()'ing) and there was unread data in the receive queue.
* This behavior is recommended by RFC 2525, section 2.17. -DaveM
*/
void tcp_send_active_reset (struct sock *sk, gfp_t priority)
{
struct sk_buff *skb;
/* NOTE: No TCP options attached and we never retransmit this. */
skb = alloc_skb(MAX_TCP_HEADER, priority);
if (!skb) {
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTFAILED);
return;
}
/* Reserve space for headers and prepare control bits. */
skb_reserve(skb, MAX_TCP_HEADER); /* 为报文头部预留空间 */
/* 初始化不携带数据的skb的一些控制字段 */
tcp_init_nondata_skb(skb, tcp_acceptable_seq(sk), TCPHDR_ACK | TCPHDR_RST);
/* Send if off，发送此RST包*/
TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
if (tcp_transmit_skb(sk, skb, 0, priority))
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTFAILED);
TCP_INC_STATS(sock_net(sk), TCP_MIB_OUTRSTS);
}
static inline __u32 tcp_acceptable_seq (const struct sock *sk)
{
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
/* 如果snd_nxt在对端接收窗口范围内 */
if (! before(tcp_wnd_end(tp), tp->snd_nxt))
return tp->snd_nxt;
else
return tcp_wnd_end(tp);
}
TCP_USER_TIMEOUT选项
从上文可知同时符合以下条件时，保活定时器才会发送探测报文：
1. 网络中没有发送且未确认的数据包。
2. 发送队列为空。
3. 连接的空闲时间超过了设定的时间。
Q：如果网络中有发送且未确认的数据包、或者发送队列不为空时，保活定时器不起作用了，
岂不是不能够检测到对端的异常了？
A：可以使用TCP_USER_TIMEOUT，显式的指定当发送数据多久后还没有得到响应，就判定连接超时，
从而主动关闭连接。
TCP_USER_TIMEOUT选项会影响到超时重传定时器和保活定时器。
(1) 超时重传定时器
判断连接是否超时，分3种情况：
1. SYN包：当SYN包的重传次数达到上限时，判定连接超时。(默认允许重传5次，初始超时时间为1s，总共历时31s)
2. 非SYN包，用户使用TCP_USER_TIMEOUT：当数据包发出去后的等待时间超过用户设置的时间时，判定连接超时。
3. 非SYN包，用户没有使用TCP_USER_TIMEOUT：当数据包发出去后的等待时间超过以TCP_RTO_MIN为初始超时
时间，重传boundary次所花费的时间后，判定连接超时。(boundary的最大值为tcp_retries2，默认值为15)
(2) 保活定时器
判断连接是否异常，分2种情况：
1. 用户使用了TCP_USER_TIMEOUT选项。当连接的空闲时间超过了用户设置的时间，且有发送过探测报文。
2. 用户没有使用TCP_USER_TIMEOUT选项。当发送保活探测包的次数达到了保活探测的最大次数时。
