服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?

作者:小林coding

计算机八股文网站:https://xiaolincoding.com

大家好,我是小林。

如果「服务端挂掉」指的是「服务端进程崩溃」,服务端的进程在发生崩溃的时候,内核会发送 FIN 报文,与客户端进行四次挥手。

但是,如果「服务端挂掉」指的是「服务端主机宕机」,那么是不会发生四次挥手的,具体后续会发生什么?还要看客户端会不会发送数据?

  • 如果客户端会发送数据,由于服务端已经不存在,客户端的数据报文会超时重传,当重传次数达到一定阈值后,会断开 TCP 连接;
  • 如果客户端一直不会发送数据,再看客户端有没有开启 TCP keepalive 机制?
    • 如果有开启,客户端在一段时间后,检测到服务端的 TCP 连接已经不存在,则会断开自身的 TCP 连接;
    • 如果没有开启,客户端的 TCP 连接会一直存在,并不会断开。

上面属于精简回答了,下面我们详细聊聊。

服务端进程崩溃,客户端会发生什么?

TCP 的连接信息是由内核维护的,所以当服务端的进程崩溃后,内核需要回收该进程的所有 TCP 连接资源,于是内核会发送第一次挥手 FIN 报文,后续的挥手过程也都是在内核完成,并不需要进程的参与,所以即使服务端的进程退出了,还是能与客户端完成 TCP四次挥手的过程。

我自己也做了实验,使用 kill -9 命令来模拟进程崩溃的情况,发现在 kill 掉进程后,服务端会发送 FIN 报文,与客户端进行四次挥手

服务端主机宕机后,客户端会发生什么?

当服务端的主机突然断电了,这种情况就是属于服务端主机宕机了。

当服务端的主机发生了宕机,是没办法和客户端进行四次挥手的,所以在服务端主机发生宕机的那一时刻,客户端是没办法立刻感知到服务端主机宕机了,只能在后续的数据交互中来感知服务端的连接已经不存在了。

因此,我们要分两种情况来讨论:

  • 服务端主机宕机后,客户端会发送数据;
  • 服务端主机宕机后,客户端一直不会发送数据;

服务端主机宕机后,如果客户端会发送数据

在服务端主机宕机后,客户端发送了数据报文,由于得不到响应,在等待一定时长后,客户端就会触发超时重传机制,重传未得到响应的数据报文。

当重传次数达到达到一定阈值后,内核就会判定出该 TCP 连接有问题,然后通过 Socket 接口告诉应用程序该 TCP 连接出问题了,于是客户端的 TCP 连接就会断开。

那 TCP 的数据报文具体重传几次呢?

在 Linux 系统中,提供了一个叫 tcp_retries2 配置项,默认值是 15,如下图:

服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?插图图片

这个内核参数是控制,在 TCP 连接建立的情况下,超时重传的最大次数。

不过 tcp_retries2 设置了 15 次,并不代表 TCP 超时重传了 15 次才会通知应用程序终止该 TCP 连接,内核会根据 tcp_retries2 设置的值,计算出一个 timeout如果 tcp_retries2 =15,那么计算得到的 timeout = 924600 ms),如果重传间隔超过这个 timeout,则认为超过了阈值,就会停止重传,然后就会断开 TCP 连接

在发生超时重传的过程中,每一轮的超时时间(RTO)都是倍数增长的,比如如果第一轮 RTO 是 200 毫秒,那么第二轮 RTO 是 400 毫秒,第三轮 RTO 是 800 毫秒,以此类推。

而 RTO 是基于 RTT(一个包的往返时间) 来计算的,如果 RTT 较大,那么计算出来的 RTO 就越大,那么经过几轮重传后,很快就达到了上面的 timeout 值了。

举个例子,如果 tcp_retries2 =15,那么计算得到的 timeout = 924600 ms,如果重传总间隔时长达到了 timeout 就会停止重传,然后就会断开 TCP 连接:

  • 如果 RTT 比较小,那么 RTO 初始值就约等于下限 200ms,也就是第一轮的超时时间是 200 毫秒,由于 timeout 总时长是 924600 ms,表现出来的现象刚好就是重传了 15 次,超过了 timeout 值,从而断开 TCP 连接
  • 如果 RTT 比较大,假设 RTO 初始值计算得到的是 1000 ms,也就是第一轮的超时时间是 1 秒,那么根本不需要重传 15 次,重传总间隔就会超过 924600 ms。

最小 RTO 和最大 RTO 是在 Linux 内核中定义好了:

#define TCP_RTO_MAX ((unsigned)(120*HZ))
#define TCP_RTO_MIN ((unsigned)(HZ/5))

Linux 2.6+ 使用 1000 毫秒的 HZ,因此TCP_RTO_MIN约为 200 毫秒,TCP_RTO_MAX约为 120 秒。

如果tcp_retries设置为15,且 RTT 比较小,那么 RTO 初始值就约等于下限 200ms,这意味着它需要 924.6 秒才能将断开的 TCP 连接通知给上层(即应用程序),每一轮的 RTO 增长关系如下表格:

服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?插图1

服务端主机宕机后,如果客户端一直不发数据

在服务端主机发送宕机后,如果客户端一直不发送数据,那么还得看是否开启了 TCP keepalive 机制 (TCP 保活机制)。

如果没有开启 TCP keepalive 机制,在服务端主机发送宕机后,如果客户端一直不发送数据,那么客户端的 TCP 连接将一直保持存在,所以我们可以得知一个点,在没有使用 TCP 保活机制,且双方不传输数据的情况下,一方的 TCP 连接处在 ESTABLISHED 状态时,并不代表另一方的 TCP 连接还一定是正常的。

而如果开启了 TCP keepalive 机制,在服务端主机发送宕机后,即使客户端一直不发送数据,在持续一段时间后,TCP 就会发送探测报文,探测服务端是否存活:

  • 如果对端是正常工作的。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。
  • 如果对端主机崩溃,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

所以,TCP keepalive 机制可以在双方没有数据交互的情况,通过探测报文,来确定对方的 TCP 连接是否存活。

服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?插图2

TCP keepalive 机制具体是怎么样的?

TCP keepalive 机制机制的原理是这样的:

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

在 Linux 内核可以有对应的参数可以设置保活时间、保活探测的次数、保活探测的时间间隔,以下都为默认值:

net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75  
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9

每个参数的意思,具体如下:

  • tcp_keepalive_time=7200:表示保活时间是 7200 秒(2小时),也就 2 小时内如果没有任何连接相关的活动,则会启动保活机制
  • tcp_keepalive_intvl=75:表示每次检测间隔 75 秒;
  • tcp_keepalive_probes=9:表示检测 9 次无响应,认为对方是不可达的,从而中断本次的连接。

也就是说在 Linux 系统中,最少需要经过 2 小时 11 分 15 秒才可以发现一个「死亡」连接。

服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?插图3

注意,应用程序如果想使用 TCP 保活机制,需要通过 socket 接口设置 SO_KEEPALIVE 选项才能够生效,如果没有设置,那么就无法使用 TCP 保活机制。

TCP keepalive 机制探测的时间也太长了吧?

对的,是有点长。

TCP keepalive 是 TCP 层(内核态) 实现的,它是给所有基于 TCP 传输协议的程序一个兜底的方案。

实际上,我们应用层可以自己实现一套探测机制,可以在较短的时间内,探测到对方是否存活。

比如,web 服务软件一般都会提供 keepalive_timeout 参数,用来指定 HTTP 长连接的超时时间。如果设置了 HTTP 长连接的超时时间是 60 秒,web 服务软件就会启动一个定时器,如果客户端在完后一个 HTTP 请求后,在 60 秒内都没有再发起新的请求,定时器的时间一到,就会触发回调函数来释放该连接。

服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?插图4

总结

如果「服务端挂掉」指的是「服务端进程崩溃」,服务端的进程在发生崩溃的时候,内核会发送 FIN 报文,与客户端进行四次挥手。

但是,如果「服务端挂掉」指的是「服务端主机宕机」,那么是不会发生四次挥手的,具体后续会发生什么?还要看客户端会不会发送数据?

  • 如果客户端会发送数据,由于服务端已经不存在,客户端的数据报文会超时重传,当重传总间隔时长达到一定阈值(内核会根据 tcp_retries2 设置的值计算出一个阈值)后,会断开 TCP 连接;
  • 如果客户端一直不会发送数据,再看客户端有没有开启 TCP keepalive 机制?
    • 如果有开启,客户端在一段时间没有进行数据交互时,会触发 TCP keepalive 机制,探测对方是否存在,如果探测到对方已经消亡,则会断开自身的 TCP 连接;
    • 如果没有开启,客户端的 TCP 连接会一直存在,并且一直保持在 ESTABLISHED 状态。

还有另外一个很有意思的问题:「拔掉网线几秒,再插回去,原本的 TCP 连接还存在吗?」,之前我也写过,可以参考这篇:拔掉网线几秒,原本的 TCP 连接还存在吗?

完!

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文章来源于互联网:服务端挂了,客户端的 TCP 连接还在吗?

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