【IPC通信--socket套接字--心跳包】

旅之灵夫2024-01-09 1:06

Socket 心跳包 提高网络通信稳定性

随着网络通信技术的不断发展，网络通信已成为我们日常工作和生活中不可或缺的一部分。但是在使用网络通信的过程中，时常会遇到网络延迟、丢包等问题，这些问题不仅影响我们的工作和生活效率，也会给我们的网络带来一定的风险和安全隐患。为了解决这些问题，Socket 心跳包成为了一种有效的方法，可以提高网络通信的稳定性，从而提升我们的工作效率，减少风险和安全隐患。

一、What is Socket 心跳包

Socket 心跳包是一种网络通信协议，在通信过程中，通过周期性地发送、接收心跳包，来检测网络通信的稳定性和可靠性，从而避免一些网络延迟、丢包等问题。在使用 Socket 心跳包的过程中，我们可以设置心跳包的发送周期、超时时间等信息，从而更好地控制网络通信的质量和效率。

二、Socket 心跳包的作用

  1. 检测网络连接的可靠性和稳定性

Socket 心跳包最主要的作用是检测网络通信的可靠性和稳定性，通过定时发送、接收心跳包，我们可以了解到当前网络连接的情况，识别网络中存在的延迟、丢包等问题，从而进行相应的优化和处理。

  1. 避免连接超时和意外断开

在网络通信过程中，如果长时间没有数据传输，有可能会导致连接超时和意外断开的问题，这对于需要长时间保持连接的网络应用程序来说是非常不利的。通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证在长时间无数据传输的情况下，仍能保持连接状态，从而避免连接超时和意外断开的问题。

  1. 提高网络通信的效率和质量

通过使用 Socket 心跳包，我们可以定期检测网络连接的可靠性和稳定性，实时处理网络中存在的延迟、丢包等问题，从而提高网络通信的效率和质量，保证数据的及时性和准确性。

  1. 防止网络攻击

网络攻击是网络安全领域中的一大问题，攻击者可以通过一些手段来破坏网络连接的稳定性和可靠性，从而对我们的网络安全造成威胁。通过使用 Linux Socket 心跳包，我们可以及时识别网络中存在的攻击行为，并采取相应的措施，从而保证我们的网络安全。

三、Socket 心跳包的应用场景

  1. 在网络游戏中的应用

网络游戏要求玩家之间保持实时的连接状态，否则可能会导致游戏数据的丢失或者延迟，从而影响游戏的体验。通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证玩家之间的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，提高游戏的体验效果。

  1. 在计算机集群中的应用

计算机集群是一种高性能计算技术，它将多台计算机组成一个整体，从而提高计算能力和效率。在计算机集群中，通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证计算节点之间的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，从而提高计算能力和效率。

  1. 在数据中心中的应用

数据中心是一个大规模的计算机集群，负责大规模的数据存储和处理工作。在数据中心中，通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证数据中心中各个节点的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，从而提高数据的存储和处理效率。

四、Socket 心跳包的实现方法

Socket 心跳包的实现方法非常简单，我们只需要在代码中设置心跳包的发送周期和超时时间即可。下面是一个简单的实现示例：

  1. 设置心跳包的周期和超时时间：

    int interval = 10; // 心跳包发送周期，单位秒

    int timeout = 30; // 心跳包超时时间，单位秒

  2. 定时发送心跳包：

    void send_heartbeat(int sockfd)
    {
    // 构造心跳包数据
    char *heartbeat_data = "heartbeat";

     // 发送心跳包
 send(sockfd, heartbeat_data, strlen(heartbeat_data), 0);

    }

  3. 定时检测心跳包的超时：

    void check_heartbeat_timeout(int sockfd)
    {
    // 检测心跳包的超时时间
    if (time(NULL) -- last_heartbeat_time > timeout)
    {
    // 心跳包超时，关闭连接
    close(sockfd);
    }
    }

五、结论

Linux Socket 心跳包是一种有效的网络通信协议，可以提高网络通信的稳定性和可靠性，从而减少一些网络延迟、丢包等问题。通过使用心跳包，我们可以定期检测网络连接的状态，并及时处理网络中存在的问题，从而提高网络通信的效率和质量，保证数据的及时性和准确性。在网络游戏、计算机集群、数据中心等应用场景中，心跳包也都有着广泛的应用，成为了保证网络通信稳定性和可靠性的重要手段。

六、示例程序

在应用层实现自己的心跳机制，即定时发送一个自定义的结构体（心跳包），让对方知道自己还活着，以确保连接的有效性。

在TCP socket心跳机制中，心跳包可以由服务器发送给客户端，也可以由客户端发送给服务器，不过比较起来，前者开销可能更大。------ 这里实现的是由客户端给服务器发送心跳包，基本思路是：

1） 服务器为每个客户端保存了IP和计数器count，即map<fd, pair<ip, count>>。服务端主线程采用 select 实现多路IO复用，监听新连接以及接受数据包（心跳包），子线程用于检测心跳：

  • 如果主线程接收到的是心跳包，将该客户端对应的计数器 count 清零；
  • 在子线程中，每隔3秒遍历一次所有客户端的计数器 count：
    • 若 count 小于 5，将 count 计数器加 1；
    • 若 count 等于 5，说明已经15秒未收到该用户心跳包，判定该用户已经掉线；

2） 客户端则只是开辟子线程，定时给服务器发送心跳包（本示例中定时时间为3秒）。

下面是Linux下一个socket心跳包的简单实现：

Server.cpp

#include<netinet/in.h>   // sockaddr_in
#include<sys/types.h>    // socket
#include<sys/socket.h>   // socket
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>   // select
#include<sys/ioctl.h>
#include<sys/time.h>
#include<iostream>
#include<vector>
#include<map>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstdio>
#include<cstring>
using namespace std;
#define BUFFER_SIZE 1024

enum Type {HEART, OTHER};

struct PACKET_HEAD
{
    Type type;
    int length;
};

void* heart_handler(void* arg);

class Server
{
private:
    struct sockaddr_in server_addr;
    socklen_t server_addr_len;
    int listen_fd;    // 监听的fd
    int max_fd;       // 最大的fd
    fd_set master_set;   // 所有fd集合，包括监听fd和客户端fd   
    fd_set working_set;  // 工作集合
    struct timeval timeout;
    map<int, pair<string, int> > mmap;   // 记录连接的客户端fd--><ip, count>
public:
    Server(int port);
    ~Server();
    void Bind();
    void Listen(int queue_len = 20);
    void Accept();
    void Run();
    void Recv(int nums);
    friend void* heart_handler(void* arg);
};

Server::Server(int port)
{
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(port);
    // create socket to listen
    listen_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(listen_fd < 0)
    {
        cout << "Create Socket Failed!";
        exit(1);
    }
    int opt = 1;
    setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
}

Server::~Server()
{
    for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd)
    {
        if(FD_ISSET(fd, &master_set))
        {
            close(fd);
        }
    }
}

void Server::Bind()
{
    if(-1 == (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr))))
    {
        cout << "Server Bind Failed!";
        exit(1);
    }
    cout << "Bind Successfully.\n"; 
}

void Server::Listen(int queue_len)
{
    if(-1 == listen(listen_fd, queue_len))
    {
        cout << "Server Listen Failed!";
        exit(1);
    }
    cout << "Listen Successfully.\n";
}

void Server::Accept()
{
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

    int new_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
    if(new_fd < 0)
    {
        cout << "Server Accept Failed!";
        exit(1);
    }

    string ip(inet_ntoa(client_addr.sin_addr));    // 获取客户端IP

    cout << ip << " new connection was accepted.\n";

    mmap.insert(make_pair(new_fd, make_pair(ip, 0)));

    // 将新建立的连接的fd加入master_set
    FD_SET(new_fd, &master_set);
    if(new_fd > max_fd)
    {
        max_fd = new_fd;
    }
}   

void Server::Recv(int nums)
{
    for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd)
    {
        if(FD_ISSET(fd, &working_set))
        {
            bool close_conn = false;  // 标记当前连接是否断开了

            PACKET_HEAD head;
            recv(fd, &head, sizeof(head), 0);   // 先接受包头

            if(head.type == HEART)
            {
                mmap[fd].second = 0;        // 每次收到心跳包，count置0
                cout << "Received heart-beat from client.\n";
            }
            else
            {
                // 数据包，通过head.length确认数据包长度 
            }   

            if(close_conn)  // 当前这个连接有问题，关闭它
            {
                close(fd);
                FD_CLR(fd, &master_set);
                if(fd == max_fd)  // 需要更新max_fd;
                {
                    while(FD_ISSET(max_fd, &master_set) == false)
                        --max_fd;
                }
            }
        }
    }   
}

void Server::Run()
{
    pthread_t id;     // 创建心跳检测线程
    int ret = pthread_create(&id, NULL, heart_handler, (void*)this);
    if(ret != 0)
    {
        cout << "Can not create heart-beat checking thread.\n";
    }

    max_fd = listen_fd;   // 初始化max_fd
    FD_ZERO(&master_set);
    FD_SET(listen_fd, &master_set);  // 添加监听fd

    while(1)
    {
        FD_ZERO(&working_set);
        memcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));

        timeout.tv_sec = 30;
        timeout.tv_usec = 0;

        int nums = select(max_fd+1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);
        if(nums < 0)
        {
            cout << "select() error!";
            exit(1);
        }

        if(nums == 0)
        {
            //cout << "select() is timeout!";
            continue;
        }

        if(FD_ISSET(listen_fd, &working_set))
            Accept();   // 有新的客户端请求
        else
            Recv(nums); // 接收客户端的消息
    }
}


// thread function
void* heart_handler(void* arg)
{
    cout << "The heartbeat checking thread started.\n";
    Server* s = (Server*)arg;
    while(1)
    {
        map<int, pair<string, int> >::iterator it = s->mmap.begin();
        for( ; it!=s->mmap.end(); )
        {   
            if(it->second.second == 5)   // 3s*5没有收到心跳包，判定客户端掉线
            {
                cout << "The client " << it->second.first << " has be offline.\n";

                int fd = it->first;
                close(fd);            // 关闭该连接
                FD_CLR(fd, &s->master_set);
                if(fd == s->max_fd)      // 需要更新max_fd;
                {
                    while(FD_ISSET(s->max_fd, &s->master_set) == false)
                        s->max_fd--;
                }

                s->mmap.erase(it++);  // 从map中移除该记录
            }
            else if(it->second.second < 5 && it->second.second >= 0)
            {
                it->second.second += 1;
                ++it;
            }
            else
            {
                ++it;
            }
        }
        sleep(3);   // 定时三秒
    }
}

int main()
{
    Server server(1234);
    server.Bind();
    server.Listen();
    server.Run();
    return 0;
}

Client.cpp

#include<netinet/in.h>   // sockaddr_in
#include<sys/types.h>    // socket
#include<sys/socket.h>   // socket
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/ioctl.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstdio>
#include<cstring>
using namespace std;
#define BUFFER_SIZE 1024

enum Type {HEART, OTHER};

struct PACKET_HEAD
{
    Type type;
    int length;
};

void* send_heart(void* arg); 

class Client 
{
private:
    struct sockaddr_in server_addr;
    socklen_t server_addr_len;
    int fd;
public:
    Client(string ip, int port);
    ~Client();
    void Connect();
    void Run();
    friend void* send_heart(void* arg); 
};

Client::Client(string ip, int port)
{
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    if(inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &server_addr.sin_addr) == 0)
    {
        cout << "Server IP Address Error!";
        exit(1);
    }
    server_addr.sin_port = htons(port);
    server_addr_len = sizeof(server_addr);
    // create socket
    fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd < 0)
    {
        cout << "Create Socket Failed!";
        exit(1);
    }
}

Client::~Client()
{
    close(fd);
}

void Client::Connect()
{
    cout << "Connecting......" << endl;
    if(connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_len) < 0)
    {
        cout << "Can not Connect to Server IP!";
        exit(1);
    }
    cout << "Connect to Server successfully." << endl;
}

void Client::Run()
{
    pthread_t id;
    int ret = pthread_create(&id, NULL, send_heart, (void*)this);
    if(ret != 0)
    {
        cout << "Can not create thread!";
        exit(1);
    }
}

// thread function
void* send_heart(void* arg)
{
    cout << "The heartbeat sending thread started.\n";
    Client* c = (Client*)arg;
    int count = 0;  // 测试
    while(1) 
    {
        PACKET_HEAD head;
        head.type = HEART;
        head.length = 0;    
        send(c->fd, &head, sizeof(head), 0);
        sleep(3);     // 定时3秒

        ++count;      // 测试：发送15次心跳包就停止发送
        if(count > 15)
            break;
    }
}

int main()
{
    Client client("127.0.0.1", 15000);
    client.Connect();
    client.Run();
    while(1)
    {
        string msg;
        getline(cin, msg);
        if(msg == "exit")
            break;
        cout << "msg\n";
    }
    return 0;
}

客户端启动以后发送了15次心跳包，然后停止发送心跳包。在经过一段时间后（3s*5），服务器就判断该客户端掉线，并断开了连接。

内容引用：

TCP socket心跳包示例程序 - 专注it - 博客园 (cnblogs.com)

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