浅谈TCP的keep-alive机制

相关背景：

hbase集群大量regionserver节点进程挂掉，排查log发现每个节点上的有大量的和datanode建立连接失败的报错信息，进一步排查是大量的Too Many Open Files异常导致的，所以挂掉的原因是Linux服务器上的File Descriptor数量不足，无法新建socket连接去读写datanode数据导致进程退出。每台服务器上处于CLOSE_WAIT状态的tcp连接有10万+，基本都是regionserver访问datanode产生的大量tcp连接；简单回顾一下TCP断开连接的过程，主动方发送FIN包请求关闭连接，被动关闭的一方响应并发出 ACK 包之后就进入了 CLOSE_WAIT 状态。如果一切正常，稍后被动关闭的一方也会发出 FIN 包，然后迁移到 LAST_ACK 状态。因此，CLOSE_WAIT产生的原因是被动关闭的一方收到FIN请求后没有发送FIN包，也就是没有执行close方法；

对应到当前问题，regionserver大量访问Datanode服务进程，Datanode端已经由于某种原因（超时等）主动关闭了socket连接，但是regionserver端没有调用close去释放当前的socket连接。

所以解决的问题就是regionserver关闭与datanode的socket连接的问题；参考hadoop和hbase社区已经有了相关的解决方案，大概思路是regonserver端在访问hdfs数据后调用hdfs接口释放掉无用socket连接；

https://issues.apache.org/jira/browse/HBASE-9393（Region Server fails to properly close socket resulting in many CLOSE_WAIT to Data Nodes）
https://issues.apache.org/jira/browse/HDFS-7694（FSDataInputStream should support "unbuffer"）

CLOSE_WAIT

CLOSE_WAIT 是TCP关闭连接过程中的一个正常状态，通常情况下，CLOSE_WAIT 状态维持时间很短，如果你发现TCP连接长时间的处于CLOSE_WAIT 状态，那么就意味着被动关闭的一方没有及时发出 FIN 包，说明代码层面存在一定的问题，比如代码本身没有close socket的调用逻辑、或者逻辑错误导致无法执行到close方法、或者双方超时设置问题导致一方发生timeout直接关闭连接，另外一方长时间处理业务逻辑导致close socket调用被延后等等；

大量CLOSE_WAIT的连接堆积存在很大的隐患问题，如果CLOSE_WAIT状态连接的一直保持着，那么意味着对应数据的通道就一直被占用，典型的”占着茅坑不拉屎“，因为linux分配给每一个用户的文件句柄是有限的，一旦达到句柄数上限，新的连接请求就无法被处理，请求就会报大量的Too Many Open Files异常，从而导致服务异常；另外可以手动调高用户级别的文件句柄数量配置，但是没有解决根本问题，同时分配的值过大的话反而会影响操作系统性能，所以需要根据具体应用调配权衡。

回到本文重点，大量异常连接问题，其实都可以通过操作系统的keepalive机制进行处理。在一个idle TCP连接上，没有任何的数据流，当另外一端服务器出现问题时（例如断电），TCP无法知晓连接是否出现异常，如果在本端的socket上应用keepalive机制的话，可以彻底解决这个问题，keepalive机制会在空闲一段时间之后发送探测packet进行检测，从而发现连接异常，下面开始详细介绍tcp的keepalive机制。

keepalive机制

TCP保活机制，就是为了保证连接的有效性，探测连接的对端是否存活的作用，在间隔一定的时间发探测包，根据回复来确认该连接是否有效。通常上层应用会自己提供心跳检测机制，而Linux内核本身也提供了从内核层面的确保连接有效性的方式。

在双方交互过程中，可能存在以下的几种情况：

• 客户端或者服务端意外断电、死机、进程挂掉重启等；

• 中间网络出现问题，连接双方无法知道一直等待；

• 程序问题导致的长时间CLOSE_WAIT问题；

此时，tcp keep-alive机制就可以解决大量无用连接无法回收、占用资源的问题了. KeepAlive并不是TCP协议规范的一部分，但在几乎所有的TCP/IP协议栈（不管是Linux还是Windows）中，都实现了KeepAlive功能，本片文章主要是基于linux操作系统上来进行说明。

系统内核参数配置

通过 sysctl -a | grep keepalive 命令查看

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

参数解释：

• tcp_keepalive_time，在TCP保活打开的情况下，最后一次数据交换到TCP发送第一个保活探测包的间隔，即允许的持续空闲时长，或者说每次正常发送心跳的周期，默认值为7200s（2h）。

• tcp_keepalive_probes 在tcp_keepalive_time之后，没有接收到对方确认，继续发送保活探测包次数，默认值为9（次）

• tcp_keepalive_intvl，在tcp_keepalive_time之后，没有接收到对方确认，继续发送保活探测包的发送频率，默认值为75s。

然后我结合相关的内核参数梳理下keep-alive机制的原理流程，如下面两个图所示

                                           图一. 正常ack，保持连接

                                      图二. 对方响应rst，释放连接 

                                    图三. 对方服务无响应，释放连接 

所以可以这样理解：按照默认值，在一个TCP 连接上，tcp_keepalive_time（2h）时间内没有任何数据包传输，则开启keepalive的一端发送keepalive探测包，三种情况：1. 对端正常发送ack，继续保持连接，重置保活定时器；2. 对端能正常响应，但是发送的是RST包，证明对端服务出现问题，于是发送RST终止当前连接，本端释放连接；3.则如果没有收到应答，则间隔tcp_keepalive_intvl的时间再次发送，经过tcp_keepalive_probes的次数后仍然没有收到应答，则发送 RST包关闭该连接。

可以通过 sysctl -w 来修改内核参数，或者修改/etc/sysctl.conf 后 sysctl -p 让参数生效，针对已经设置SO_KEEPALIVE的套接字，应用程序不用重启，内核直接生效。应用程序若想使用需要设置SO_KEEPALIVE套接口选项才能够生效。

源码解析：

下面通过java socket代码分析，java socket 的setKeepAlive源码：

/**
     * Enable/disable {@link SocketOptions#SO_KEEPALIVE SO_KEEPALIVE}.
     *
     * @param on  whether or not to have socket keep alive turned on.
     * @exception SocketException if there is an error
     * in the underlying protocol, such as a TCP error.
     * @since 1.3
     * @see #getKeepAlive()
     */
    public void setKeepAlive(boolean on) throws SocketException {
        if (isClosed())
            throw new SocketException("Socket is closed");
        getImpl().setOption(SocketOptions.SO_KEEPALIVE, Boolean.valueOf(on));
    }

SocketOptions相关代码:

/**
     * When the keepalive option is set for a TCP socket and no data
     * has been exchanged across the socket in either direction for
     * 2 hours (NOTE: the actual value is implementation dependent),
     * TCP automatically sends a keepalive probe to the peer. This probe is a
     * TCP segment to which the peer must respond.
     * One of three responses is expected:
     * 1. The peer responds with the expected ACK. The application is not
     *    notified (since everything is OK). TCP will send another probe
     *    following another 2 hours of inactivity.
     * 2. The peer responds with an RST, which tells the local TCP that
     *    the peer host has crashed and rebooted. The socket is closed.
     * 3. There is no response from the peer. The socket is closed.
     *
     * The purpose of this option is to detect if the peer host crashes.
     *
     * Valid only for TCP socket: SocketImpl
     *
     * @see Socket#setKeepAlive
     * @see Socket#getKeepAlive
     */
    @Native public final static int SO_KEEPALIVE = 0x0008;

可见，Java程序只能做到设置SO_KEEPALIVE选项，至于TCP_KEEPCNT，TCP_KEEPIDLE，TCP_KEEPINTVL等参数配置，只能依赖于sysctl在系统层面进行配置；

Java 对于客户端中打开keep alive直接调用Socket.setKeepAlive函数，而在服务器端的ServerSocket 却不允许设置keep alive的开关，只能在accept 一个新的连接的socket 的时候设置。

C语言中，在sock 函数中设置keep alive开关，默认socket 是关闭keep alive的。

int opt = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void*)&opt, sizeof(opt));

linux tcp keepalive机制相关源码实现可查看net/core/sock.c、net/ipv4/tcp_timer.c、net/ipv4/tcp_timer.c

重点总结

a. java层面开启keepalive需要通过socket实例调用setKeepAlive进行设置（建议在两端均设置），只能配置开关，其他参数依赖于sysctl在系统层面进行配置。

b. C语言开启keepalive需要在socket实例上调用setsockopt设置。

c. 调整keepalive内核参数后对现有已打开keepalive机制的socket链接直接生效，无需重启。

d. tcp keep-alive机制可以解决大量连接无法回收、占用资源的问题.