LWIP应用开发|心跳机制

心跳机制

1. 心跳机制简介

在长连接下，可能很长一段时间都没有数据往来。理论上说，这个连接是一直保持连接的，但是实际情况中，如果中间节点出现什么故障是难以知道的。更致命的是，有的节点（防火墙）会自动把一定时间之内没有数据交互的连接给断掉。这个时候，就可以使用心跳包，来维持长连接以及保活

心跳机制就是每隔几分钟发送一个固定信息给服务端，服务端收到后回复一个固定信息如果服务端几分钟内没有收到客户端信息则视客户端断开。发包方可以是客户也可以是服务端，具体看哪边实现更方便合理

心跳包的发送通常有以下两种技术

应用层自已实现的心跳包：
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
使用SO_KEEPALIVE套接字选项：
在TCP的机制里面，本身是存在有心跳包的机制的，也就是TCP的选项. 不论是服务端还是客户端，一方开启KeepAlive功能后，就会自动在规定时间内向对方发送心跳包，而另一方在收到心跳包后就会自动回复，以告诉对方我仍然在线

下面将介绍如何使用SO_KEEPALIVE套接字选项来实现心跳检测

2. 心跳检测实现

2.1 setsockopt函数介绍

函数功能：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，它们总会出现在最上面的套接字层。当操作套接字选项时，选项位于的层和选项的名称必须给出。为了操作套接字层的选项，应该将层的值指定为SOL_SOCKET。为了操作其它层的选项，控制选项的合适协议号必须给出。例如，为了表示一个选项由TCP协议解析，层应该设定为协议号TCP

函数原型：int setsockopt(int sock,             //将要被设置选项的套接字int level,             //选项所在的协议层int optname,      //需要访问的选项名const void *optval, //指向包含新选项值得缓冲socklen_t optlen)    //现选项的长度
返 回 值：成功返回0；失败返回-1

参数（level）详细说明：level是指定控制套接字的层次，可以取如下三种值

SOL_SOCKET：通用套接字选项

选项名称(optname)　　　说明　　　　　          　　　　数据类型
========================================================================
SO_BROADCAST　　　　　 允许发送广播数据　　　　　　　　 int
SO_DEBUG　　　　　　　  允许调试　　　　　　　　　　　　int
SO_DONTROUTE　　　　　　不查找　　　　　　　　　　　　　int
SO_ERROR　　　　　　　　获得套接字错误　　　　　　　　　int
SO_KEEPALIVE　　　　　　保持连接　　　　　　　　　　　　int
SO_LINGER　　　　　　　 延迟关闭连接　　　　　　　　　　struct linger
SO_OOBINLINE　　　　　　带外数据放入正常数据流　　　　　int
SO_RCVBUF　　　　　　　 接收缓冲区大小　　　　　　　　　int
SO_SNDBUF　　　　　　　 发送缓冲区大小　　　　　　　　　int
SO_RCVLOWAT　　　　　　 接收缓冲区下限　　　　　　　　　int
SO_SNDLOWAT　　　　　　 发送缓冲区下限　　　　　　　　　int
SO_RCVTIMEO　　　　　　 接收超时　　　　　　　　　　　　struct timeval
SO_SNDTIMEO　　　　　　 发送超时　　　　　　　　　　　　struct timeval
SO_REUSERADDR　　　　　 允许重用本地地址和端口　　　　　int
SO_TYPE　　　　　　　　 获得套接字类型　　　　　　　　　int
SO_BSDCOMPAT　　　　　　与BSD系统兼容　　　　　　　　　 int
========================================================================

IPPROTO_IP：IP选项

选项名称(optname)　　　说明　　　　　          　　　　数据类型
========================================================================
IP_HDRINCL　　　　　　　在数据包中包含IP首部　　　　　　int
IP_OPTINOS　　　　　　　IP首部选项　　　　　　　　　　　int
IP_TOS　　　　　　　　　类型
IP_TTL　　　　　　　　　生存时间　　　　　　　　　　　　 int
========================================================================

IPPROTO_TCP：TCP选项

选项名称(optname)　　　说明　　　　　          　　　　数据类型
========================================================================
TCP_MAXSEG　　　　　　TCP最大数据段的大小　　　　　　　 int
TCP_NODELAY　　　　　 不使用Nagle算法　　　　　　　　　 int
========================================================================

2.2 心跳机制的实现

该实例实现的功能：在TCP客户端代码中加入心跳机制，使服务端在断网重连（与客户端）后，能自动保持连接

参考Socket API编程优化一文，在该文的工程源码基础上进行修改
keepalive宏开关：将opt.h文件中的LWIP_TCP_KEEPALIVE宏定义开启

/*** LWIP_TCP_KEEPALIVE==1: Enable TCP_KEEPIDLE, TCP_KEEPINTVL and TCP_KEEPCNT* options processing. Note that TCP_KEEPIDLE and TCP_KEEPINTVL have to be set* in seconds. (does not require sockets.c, and will affect tcp.c)*/
#if !defined LWIP_TCP_KEEPALIVE || defined __DOXYGEN__
#define LWIP_TCP_KEEPALIVE              1
#endif

setsockopt参数含义：sockets.h文件中可以看到如下setsockopt参数的设置

#define SO_KEEPALIVE   0x0008  /* 保持连接 */
#define TCP_KEEPIDLE   0x03    /* 发送心跳空闲周期 S*/
#define TCP_KEEPINTVL  0x04    /* 发送心跳间隔 S */
#define TCP_KEEPCNT    0x05    /* 心跳重发次数 */

在工程中创建tcp_keepalive.c和对应的头文件

#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（connect是一个阻塞接口，内部要完成TCP的三次握手；里面有超时机制，所以需要等一段时间，才能重新连接到服务器）*/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   默认参数时间很长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; }       }
}

在freertos.c文件中的默认任务里面添加代码

void StartDefaultTask(void const * argument){/* init code for LWIP */MX_LWIP_Init();/* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */printf("TCP keepalive test!\r\n");/* Infinite loop */for(;;){vTcpKeepaliveTask();osDelay(100);}/* USER CODE END StartDefaultTask */
}

2.3 心跳机制的测试比较

未加入心跳机制的代码测试

参考Socket API编程优化，将未加入心跳机制的TCP客户端代码下载到开发板中，开发板与电脑用网线连接好，设置到对应的IP地址信息（192.168.1.20）

开启网络调试助手，打开一个服务端，监听192.168.1.20/端口6666；串口输出调试信息（server is connect ok）；在服务器端输入小写字母，客户端会返回对应的大写字母

将电脑和开发板之间的网线拔掉后重新连接，串口没有输出任何信息，仍显示server is connect ok；在服务器端发送信息，此时提示未建立通讯

加入心跳机制的代码测试

将2.2章节的心跳检测实例下载到开发板中，用网线连接电脑和开发板，确保串口通讯和服务器监听正常

电脑和开发板之间的网线拔掉后，串口会输出错误信息“read socket error”，重新连接网线后，串口输出“server is connect ok”，表示已自动重新建立连接；网线重连后，在服务器端发送信息，能够正常回显对应的大写字母，表示服务端和客户端的通讯正常