【Linux】Socket中的心跳机制(心跳包)

Socket中的心跳机制(心跳包)

1. 什么是心跳机制？(心跳包)

在客户端和服务端长时间没有相互发送数据的情况下，我们需要一种机制来判断连接是否依然存在。直接发送任何数据包可以实现这一点，但为了效率和简洁，通常发送一个空包，这个就是心跳包。

心跳包类似心跳，每隔固定时间发送一次，通知服务器客户端依然活着。它是一种保持长连接的机制，包的内容没有特别规定，通常是很小的包或仅包含包头的空包。
在这里插入图片描述

心跳包可以由客户端发到服务器，也可以由服务器发到客户端，但一般是客户端发到服务器。发送心跳包需要额外的线程，不能和正常数据发送的线程混在一起。发送间隔根据具体业务情况决定，通常在while循环中加sleep()函数即可。

2. 心跳包的实现技术

心跳包可以通过两种方式实现：

2.1 应用层自实现：

由应用程序自己发送心跳包来检测连接是否正常，服务器每隔一定时间向客户端发送一个短小的数据包，然后启动一个线程，在线程中不断检测客户端的回应，如果在一定时间内没有收到客户端的回应，即认为客户端已经掉线；同样，如果客户端在一定时间内没有收到服务器的心跳包，则认为连接不可用

2.2 使用SO_KEEPALIVE套接字选项：

在TCP机制中，默认存在一个心跳频率为2小时的机制，但无法检测断电、网线拔出、防火墙等断线情况。因此，在逻辑层常用空包发送来实现心跳包。服务器定时发送空包给客户端，客户端收到后回复一个同样的空包，服务器如果在一定时间内未收到回复则认为客户端掉线。在长连接下，如果一段时间没有数据往来，有可能会被中间节点断开连接，因此需要心跳包维持连接。一旦断线，服务器逻辑可能需要清理数据、重新连接等处理。通常情况下，心跳包的判定时间为30-40秒，要求高时可缩短至6-9秒。

1. setsockopt函数介绍

setsockopt函数用于设置与某个套接字关联的选项。选项可能存在于多层协议中，但它们总会出现在最上面的套接字层。要操作套接字层的选项，应该将层的值指定为SOL_SOCKET。要操作其他层的选项，需要提供合适的协议号。函数原型如下：

int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen)

sock: 将要被设置选项的套接字
level: 选项所在的协议层
optname: 需要访问的选项名
optval: 指向包含新选项值的缓冲
optlen: 现选项的长度

2. 心跳机制的实现

在TCP客户端代码中加入心跳机制，使服务端在断网重连后能自动保持连接。

#include "socket_tcp_server.h"
#include "tcp_keepalive.h"
#include "socket_wrap.h"
#include "ctype.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"static char ReadBuff[BUFF_SIZE];void vTcpKeepaliveTask(void){int cfd, n, i, ret;struct sockaddr_in server_addr;int so_keepalive_val = 1;int tcp_keepalive_idle = 3;int tcp_keepalive_intvl = 3;int tcp_keepalive_cnt = 3;int tcp_nodelay = 1;again:	//创建socketcfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//使能socket层的心跳检测setsockopt(cfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &so_keepalive_val, sizeof(int));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//连接到服务器ret = Connect(cfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));if(ret < 0){//100ms去连接一次服务器vTaskDelay(100);goto again;}//配置心跳检测参数setsockopt(cfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &tcp_keepalive_idle, sizeof(int));	setsockopt(cfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, &tcp_keepalive_intvl, sizeof(int));	setsockopt(cfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, &tcp_keepalive_cnt, sizeof(int));	setsockopt(cfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, &tcp_nodelay, sizeof(int));		printf("server is connect ok\r\n");while(1){//等待服务器发送数据n = Read(cfd, ReadBuff, BUFF_SIZE);if(n <= 0){	goto again;	}//进行大小写转换for(i = 0; i < n; i++){	ReadBuff[i] = toupper(ReadBuff[i]);		}//写回服务器n = Write(cfd, ReadBuff, n);if(n <= 0){	goto again;	}		}
}

3. 心跳包的自主实现

服务端代码

主要思路：

在服务端代码中，首先创建一个监听套接字，等待客户端连接。一旦有客户端连接成功，就将其信息（包括客户端的文件描述符、IP地址和心跳计数器）存储在一个map中。同时，服务端启动一个心跳检测线程，定期遍历这个map，检查每个客户端的心跳计数器。若某客户端在一定时间内未发送心跳包，则认为该客户端掉线，关闭相应连接并从map中移除。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <vector>
#include <map>
using namespace std;#define HEART_COUNT 5
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)typedef map<int, pair<string, int>> FDMAPIP;enum Type
{HEART,OTHER
};struct PACKET_HEAD
{Type type;int length;
};//支线程传递的参数结构体
struct myparam
{FDMAPIP *mmap;
};//心跳线程
void *heart_handler(void *arg)
{printf("the heart-beat thread started\n");struct myparam *param = (struct myparam *)arg;//Server *s = (Server *)arg;while (1){FDMAPIP::iterator it = param->mmap->begin();for (; it != param->mmap->end();){// 3s*5没有收到心跳包，判定客户端掉线if (it->second.second == HEART_COUNT){printf("The client %s has be offline.\n", it->second.first.c_str());int fd = it->first;close(fd);               // 关闭该连接param->mmap->erase(it++); // 从map中移除该记录}else if (it->second.second < HEART_COUNT && it->second.second >= 0){it->second.second += 1;++it;}else{++it;}}sleep(3); // 定时三秒}
}int main()
{//创建套接字int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (m_sockfd < 0){ERR_EXIT("create socket fail");}//初始化socket元素struct sockaddr_in server_addr;int server_len = sizeof(server_addr);memset(&server_addr, 0, server_len);server_addr.sin_family = AF_INET;//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(39002);//绑定文件描述符和服务器的ip和端口号int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);if (m_bindfd < 0){ERR_EXIT("bind ip and port fail");}//进入监听状态，等待用户发起请求int m_listenfd = listen(m_sockfd, 20);if (m_listenfd < 0){ERR_EXIT("listen client fail");}//定义客户端的套接字，这里返回一个新的套接字，后面通信时，就用这个m_connfd进行通信struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len = sizeof(client_addr);int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);printf("client accept success\n");string ip(inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); // 获取客户端IP// 记录连接的客户端fd--><ip, count>，暂时就一个FDMAPIP mmap;mmap.insert(make_pair(m_connfd, make_pair(ip, 0)));struct myparam param;param.mmap = &mmap;// 创建心跳检测线程pthread_t id;int ret = pthread_create(&id, NULL, heart_handler, ¶m);if (ret != 0){printf("can't create heart-beat thread.\n");}//接收客户端数据，并相应char buffer[BUF_SIZE];while (1){if (m_connfd < 0){m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);printf("client accept success again！！！\n");}PACKET_HEAD head;int recv_len = recv(m_connfd, &head, sizeof(head), 0); // 先接受包头if (recv_len <= 0){close(m_connfd);m_connfd = -1;printf("client head lose connection！！！\n");continue;}if (head.type == HEART){mmap[m_connfd].second = 0;printf("receive heart beat from client.\n");}else{//接收数据部分}}//关闭套接字close(m_connfd);close(m_sockfd);printf("server socket closed!!!\n");return 0;
}

客户端代码

主要思路：

客户端代码中，首先创建一个套接字并连接到服务端。连接建立后，客户端启动一个心跳发送线程，定期向服务端发送心跳包。发送心跳包的过程不需要携带任何实际数据，只需发送一个标识心跳的消息即可。服务端收到心跳包后，将对应客户端的心跳计数器重置为0，表示该客户端仍然活跃。如果服务端未收到心跳包，则认为客户端已经掉线。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <vector>
#include <map>
using namespace std;#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)enum Type
{HEART,OTHER
};struct PACKET_HEAD
{Type type;int length;
};//线程传递的参数结构体
struct myparam   
{   int fd;  
};void *send_heart(void *arg)
{printf("the heartbeat sending thread started.\n");struct myparam *param = (struct myparam *)arg;int count = 0; // 测试while (1){PACKET_HEAD head;//发送心跳包head.type = HEART;head.length = 0;send(param->fd, &head, sizeof(head), 0);// 定时3秒，这个可以根据业务需求来设定sleep(3); }
}int main()
{//创建套接字int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (m_sockfd < 0){ERR_EXIT("create socket fail");}//服务器的ip为本地，端口号struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("81.68.140.74");server_addr.sin_port = htons(39002);//向服务器发送连接请求int m_connectfd = connect(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));if (m_connectfd < 0){ERR_EXIT("connect server fail");}struct myparam param;param.fd = m_sockfd;pthread_t id;int ret = pthread_create(&id, NULL, send_heart, ¶m);if (ret != 0){printf("create thread fail.\n");}//发送并接收数据char buffer[BUF_SIZE] = "asdfg";int len = strlen(buffer);while (1){// 发送数据部分;}//断开连接close(m_sockfd);printf("client socket closed!!!\n");return 0;
}