网络编程：心跳检测--保证连接有效
为什么需要心跳检测？
正常的情况客户端断开连接会向服务端发送一个fin包，服务端收到fin包后得知客户端连接断开，则立刻触发onClose事件回调。
但是有些极端情况如客户端掉电、网络关闭、拔网线、路由故障等，这些极端情况客户端无法发送fin包给服务端，服务端便无法知道连接已经断开。如果客户端与服务端定时有心跳数据传输，则会比较及时的发现连接断开，触发onClose事件回调。
另外路由节点防火墙会关闭长时间不通讯的socket连接，导致socket长连接断开。所以需要客户端与服务端定时发送心跳数据保持连接不被断开。
心跳检测的原理是什么？
客户端定时每X秒(推荐小于60秒)向服务端发送特定数据(任意数据都可)，服务端设定为X秒没有收到客户端心跳则认为客户端掉线，并关闭连接触发onClose回调。这样即通过心跳检测请求维持了连接(避免连接因长时间不活跃而被网关防火墙关闭)，也能让服务端比较及时的知道客户端是否异常掉线。
保持对网络的连接有效性的检测，在项目中必须关注的点。
一、TCP Keep-Alive 选项
TCP 有一个保持活跃的机制叫做 Keep-Alive，该机制的原理如下：
定义一个时间段，在这个时间段内，如果没有任何连接相关的活动，TCP 保活机制会开始作用，每隔一个时间间隔，发送一个探测报文，该探测报文包含的数据非常少，如果连续几个探测报文都没有得到响应，则认为当前的 TCP 连接已经死亡，系统内核将错误信息通知给上层应用程序。
可定义变量，分别被称为保活时间、保活时间间隔和保活探测次数。在 Linux 系统中，这些变量分别对应 sysctl 变量net.ipv4.tcp_keepalive_time、net.ipv4.tcp_keepalive_intvl、 net.ipv4.tcp_keepalve_probes，默认设置是 7200 秒（2 小时）、75 秒和 9 次探测。
开启了 TCP 保活，需要考虑以下几种情况：
- 第一种，对端程序是正常工作的。当 TCP 保活的探测报文发送给对端, 对端会正常响应，这样 TCP 保活时间会被重置，等待下一个 TCP 保活时间的到来。
- 第二种，对端程序崩溃并重启。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后，对端是可以响应的，但由于没有该连接的有效信息，会产生一个 RST 报文，这样很快就会发现 TCP 连接已经被重置。
- 第三种，是对端程序崩溃，或对端由于其他原因导致报文不可达。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后，石沉大海，没有响应，连续几次，达到保活探测次数后，TCP 会报告该 TCP 连接已经死亡。
TCP 保活机制默认是关闭的，当我们选择打开时，可以分别在连接的两个方向上开启，也可以单独在一个方向上开启。如果开启服务器端到客户端的检测，就可以在客户端非正常断连的情况下清除在服务器端保留的“脏数据”；而开启客户端到服务器端的检测，就可以在服务器无响应的情况下，重新发起连接。
应用层探活
通过在应用程序中模拟 TCP Keep-Alive 机制，来完成在应用层的连接探活
以设计一个 PING-PONG 的机制，需要保活的一方，比如客户端，在保活时间达到后，发起对连接的 PING 操作，如果服务器端对 PING 操作有回应，则重新设置保活时间，否则对探测次数进行计数，如果最终探测次数达到了保活探测次数预先设置的值之后，则认为连接已经无效。
关键点：
第一个是需要使用定时器，这可以通过使用 I/O 复用自身的机制来实现；第二个是需要设计一个 PING-PONG 的协议。
消息格式设计：
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
消息对象是一个结构体，前 4 个字节标识了消息类型
设计了MSG_PING、MSG_PONG、MSG_TYPE 1和MSG_TYPE 2四种消息类型。
客户端程序
客户端完全模拟 TCP Keep-Alive 的机制，在保活时间达到后，探活次数增加 1，同时向服务器端发送 PING 格式的消息，此后以预设的保活时间间隔，不断地向服务器端发送 PING 格式的消息。如果能收到服务器端的应答，则结束保活，将保活时间置为 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套接字的连接
第二部分：select定时器准备，其中设置了超时时间KEEP_ALIVE_TIME，相当于保活时间，初始化select函数套接字
第三部分：处理心跳报文
当KEEP_ALIVE_TIME这段时间达到之后，select函数会返回0，进行相应的处理流程中
客户端已经在KEEP_ALIVE_TIME这段时间内没有收到任何对当前连接的反馈，于是发起PING消息，这里通过传送一个类型为MSG_PING的消息对象来完成PING操作。
当客户端在收到服务器的消息的处理中， 实际工作中，需要对报文进行解析后处理。这里只是简单将探活计数器和探活时间置零，等待下一次探活时间的来临。
服务器端程序
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// Created by shengym on 2019-07-07.
//
#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：
服务端：
客户端：
服务单休眠时间60秒，当客户端在发送了三次心跳检测报文PING报文后，判断连接无效，直接退出，这是因为在这段时间内没有收到来自服务器端任何PONG报文。
