TCP连接异常断开检测

TCP是一种面向连接的协议，连接的建立和断开需要通过收发相应的分节来实现。某些时候，由于网络的故障或是一方主机的突然崩溃而另一方无法检测到，以致始终保持着不存在的连接。下面介绍一种方法来检测这种异常断开的情况

1) 在TCP协议中提供了KEEPALIVE检测。该选项使能后，在一个TCP连接上，若指定的一段时间内没有数据交换，则自动发送分节等待对方确认。

     SO_KEEPALIVE : 该选项设置是否打开探测
             TCP_KEEPIDLE : 开始发送探测分节前等待的空闲时间
             TCP_KEEPINTVL: 两次发送探测分节的时间间隔
             TCP_KEEPCNT: 判定断开前发送探测分节的次数

2) 设定探测相关选项值

     int keepalive = 1;             // 打开探测
             int keepidle = 60;        // 开始探测前的空闲等待时间
             int keepintvl = 10;        // 发送探测分节的时间间隔
             int keepcnt = 3;        // 发送探测分节的次数

3) 设置套接字的属性

     if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepalive, sizeof (keepalive) < 0)
             {
                     perror(“fail to set SO_KEEPALIVE”);
                     exit(-1);
             }
             if (setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *) &keepidle, sizeof (keepidle) < 0)
             {
                     perror(“fail to set SO_KEEPIDLE”);
                     exit(-1);
             }
             if (setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepintvl, sizeof (keepintvl) < 0)
             {
                     perror(“fail to set SO_KEEPINTVL”);
                     exit(-1);
             }
             if (setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepcnt, sizeof (keepcnt) < 0)
             {
                     perror(“fail to set SO_KEEPALIVE”);
                     exit(-1);
             }

一旦打开KEEPALIVE探测，当TCP连接异常断开后，对sockfd进行recv操作会返回-1，并且errno的值为ETIMEDOUT。

这样一来就可以很方便的在应用程序中检测TCP连接的情况，如果检测到异常断开最简单的处理就是关闭连接。

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WinSock TCP keepalive的机理及使用

TCP 是面向连接的 , 在实际应用中通常都需要检测对端是否还处于连接中。如果已断开连接，主要分为以下几种情况：
1. 连接的对端正常关闭，即使用 closesocket 关闭连接。
2. 连接的对端非正常关闭，包括对端异常关闭，网络断开等情况。

对于第一种情况，很好判断，但是对于第二种情况，可能会要麻烦一些。在网上找到了一些文章，大致有以下两种解决方法：
Ÿ 自己编写心跳包程序
简单的说也就是在自己的程序中加入一条线程，定时向对端发送数据包，查看是否有 ACK ，如果有则连接正常，没有的话则连接断开。
Ÿ 使用 TCP 的 keepalive 机制
这个需要在 WinSock 编程时对当前 SOCKET 进行相应设置即可，比较方便。

为了方便起见，我这里采用 keepalive 机制，下面我就以 WinSock 上我实验得到的结果来大致讲一下其机理和使用方法。

首先说一下 keepalive 来判断异常断开的原理，其实 keepalive 的原理就是 TCP 内嵌的一个心跳包。

以服务器端为例，如果当前 server 端检测到超过一定时间（默认是 7,200,000 milliseconds ，也就是 2 个小时）没有数据传输，那么会向client 端发送一个 keep-alive packet （该 keep-alive packet 就是 ACK 和当前 TCP 序列号减一的组合），此时 client 端应该为以下三种情况之一：

1. client 端仍然存在，网络连接状况良好。此时 client 端会返回一个 ACK 。 server 端接收到 ACK 后重置计时器，在 2 小时后再发送探测。如果 2 小时内连接上有数据传输，那么在该时间基础上向后推延 2 个小时。
2. 客户端异常关闭，或是网络断开。在这两种情况下， client 端都不会响应。服务器没有收到对其发出探测的响应，并且在一定时间（系统默认为 1000 ms ）后重复发送 keep-alive packet ，并且重复发送一定次数（ 2000 XP 2003 系统默认为 5 次 , Vista 后的系统默认为 10 次）。
3. 客户端曾经崩溃，但已经重启。这种情况下，服务器将会收到对其存活探测的响应，但该响应是一个复位，从而引起服务器对连接的终止。（这条摘抄自http://www.cppblog.com/zhangyq/archive/2010/02/28/108615.html ，我自己并不太明白）。

了解了 keep alive 大致的原理，下来看看在程序中怎么用，怎么设置参数：

#include <mstcpip.h> 
BOOL bKeepAlive = TRUE; 
int nRet = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE,(char*)&bKeepAlive, sizeof(bKeepAlive)); 
 if (nRet == SOCKET_ERROR) 
 { 
  TRACE(L"setsockopt failed: %d\n", WSAGetLastError()); 
  return FALSE; 
 } 
 // set KeepAlive parameter 
 tcp_keepalive alive_in; 
 tcp_keepalive alive_out; 
 alive_in.keepalivetime    = 500;  // 0.5s 
 alive_in.keepaliveinterval  = 1000; //1s 
 alive_in.onoff                       = TRUE; 
 unsigned long ulBytesReturn = 0; 
 nRet = WSAIoctl(sock, SIO_KEEPALIVE_VALS, &alive_in, sizeof(alive_in), 
                &alive_out, sizeof(alive_out), &ulBytesReturn, NULL, NULL); 
 if (nRet == SOCKET_ERROR) 
 { 
  TRACE(L"WSAIoctl failed: %d\n", WSAGetLastError()); 
  return FALSE; 
 }

其中， setsockopt 设置了 keepalive 模式，但是系统对 keepalive 默认的参数可能不符合我们的要求，比如空闲 2 小时后才探测对端是否活跃，所以 WSAIoctl 函数通过 tcp_keepalive 结构体对这些参数进行了相应设置。 tcp_keepalive 这个结构体在 mstcpip.h 头文件中有定义：

struct tcp_keepalive { 
  ULONG onoff ;   // 是否开启 keepalive 
  ULONG keepalivetime ;  // 多长时间（ ms ）没有数据就开始 send 心跳包 
  ULONG keepaliveinterval ; // 每隔多长时间（ ms ） send 一个心跳包， 
  // 发 5 次 (2000 XP 2003 默认 ), 10 次 (Vista 后系统默认 ) 
};

这个结构体设置了空闲检测时间，及检测时重复发送的间隔时间。详细的可以查询 msdn :http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd877220(VS.85).aspx 。

按照 msdn 上的说法，这些参数也可以通过在注册表里设置，分别为：
HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\KeepAliveTime
HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\KeepAliveInterval

另外，有些人可能已经发现了， tcp_keepalive 这个结构体中没有对重试次数这个参数的设置，这个参数可以通过注册表来设置，具体位置为：

HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\TcpMaxDataRetransmissions

关于在注册表中设置这几个参数，我在 XP 和 Server2008 系统中都没有找到， msdn 上说貌似只是支持 server 2003 ，我这里没有实验，具体不太清楚。

设置好 keepalive 以后，我们通过实验来看看当 client 异常退出或是网络断掉的情况下， keepalive 怎么通知我们异常断开的情况。这里采用 select 模式，实验环境为 XP 系统和 Win7 系统，几种情况返回值如下：

1．正常断开
select 函数正常返回， recv 函数返回 0
2．异常断开
a) 程序异常退出，如 client 端重启，应用非正常关闭等
select 函数正常返回， recv 函数返回 SOCKET_ERROR ， WSAGetLastError () 得到的结果为 WSAECONNRESET(10054) 。
b) 网络断开
结果同上： select 函数正常返回， recv 函数返回 SOCKET_ERROR ， WSAGetLastError() 得到的结果为 WSAECONNRESET(10054) 。

P.S. 网上有些文章中写的 WSAGetLastError() 得到的结果为 ETIMEDOUT ，我这里不太清楚为什么和我这里得到的不太一样。

另外，在实验中，我发现了一个和以前理解的不太相同的地方，在这里也记录下来：

对于程序异常退出的情况（这里所说的异常退出包括程序异常关闭、重启等情况，但不包括系统待机休眠），实际上在不开启 keepalive 的情况下也是可以检测到的，我这里测试得到在不开启 keepalive 的情况下，异常关闭 client 端程序， server 端 recv 函数会立即返回 SOCKET_ERROR ， last error 同样为 WSAECONNRESET 。但是对于网络断开及系统待机休眠的情况，则必须设置 keepalive 才能检测到，并且对于上述情况，当网络重新连接或者系统恢复后，SOCKET连接并不能恢复。

具体原因我这里也不太清楚，看到有一篇文章是这样写的：“异常关闭下， SOCKET 虚拟通路会被重设，远端正在接受的调用就都会失败”。不知道正确与否，感觉有一定的道理，暂时记录下来。

( hupanice)

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