【Linux】Socket中的心跳机制(心跳包)

SuhyOvO2024-05-30 6:03

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。

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：

c 复制代码 
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。

c 复制代码 
#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socket
  cfd = 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;
}
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