基于Windows Socket 的网络通信中的心跳机制原理

引言

在采用TCP 连接的C/S 结构的系统中，当通信的一方正常关闭或退出时，另一方能收到相应的连接
断开的通知，然后进行必要的处理；但如果任意一方发生所谓的“非优雅断开”，如：意外崩溃、死机、
拔掉网线或路由器故障时，另一方无法得知TCP 连接已经失效，除非继续在此连接上不断地发送数据，
经过若干时间后导致错误返回。但在很多时候，更希望服务器端和客户端都能及时有效地检测到网络连
接的非正常断开，然后完成一些必要的清理工作并把错误报告给用户。

如何及时有效地检测到通信一方的非正常断开，采用的方法是通过通信的一方或双方发送心跳包来
告诉对方网络通信是否正常或已断开。

1. 心跳原理

在基于电路交换的网络中，有专用的控制信令通道，能够及时发现通路断开、故障，而TCP/IP 网络
中，链路的连通只在连接双方记录状态，物理通道内不存在一个实际的连接链路，通信的双方只能定时
发送简单的信息给另一方，并根据超时来判断线路是长时间空闲还是已断开。这种通过每隔一定时间发
送一个固定信息给对方，对方收到后回复一个固定信息，告诉对方“我还在”的方式非常类似于心跳，所
发送的这种简单信息就称为“心跳包”。

心跳包的发送，通常有两种技术：一种是由用户在应用层实现的心跳包，另一种是由TCP 协议层提
供的KeepAlive 。

2. 应用层自己实现的心跳包

由应用程序自己发送心跳包来检测连接是否正常，大致的方法是：服务器在一个Timer 事件中定时
向客户端发送一个短小精悍的数据包，然后启动一个低级别的线程，在该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。

3. TCP 的KeepAlive 保活机制

因为要考虑到一个服务器通常会连接多个客户端，因此由用户在应用层自己实现心跳包，代码较多
且稍显复杂，而利用TCP/IP 协议层为内置的KeepAlive 功能来实现心跳功能则简单得多。
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。

因为开启KeepAlive 功能需要消耗额外的宽带和流量，所以TCP 协议层默认并不开启KeepAlive 功
能，尽管这微不足道，但在按流量计费的环境下增加了费用，另一方面，KeepAlive 设置不合理时可能会
因为短暂的网络波动而断开健康的TCP 连接。并且，默认的KeepAlive 超时需要7,200,000 MilliSeconds，
即2 小时，探测次数为5 次。对于很多服务端应用程序来说，2 小时的空闲时间太长。因此，我们需要手
工开启KeepAlive 功能并设置合理的KeepAlive 参数。

目前主要有三种方法来实现用户掉线检测：SO_KEEPALIVE ,SIO_KEEPALIVE_VALS 和Heart-Beat线程。
下面我就上面的三种方法来做一下介绍。
(1)SO_KEEPALIVE 机制
        这是socket库提供的功能，设置接口是setsockopt API：
   BOOL  bSet=TRUE;
   setsockopt(hSocket,SOL_SOCKET,SO_KEEPALIVE,(const char*)&bSet,sizeof(BOOL));

根据MSDN的文档，如果为socket设置了KEEPALIVE选项，TCP/IP栈在检测到对方掉线后，
任何在该socket上进行的调用(发送/接受调用)就会立刻返回，错误号是WSAENETRESET ；
同时，此后的任何在该socket句柄的调用会立刻失败，并返回WSAENOTCONN错误。

该机制的缺点也很明显：
         默认设置是空闲2小时才发送一个“保持存活探测分节”，不能保证实时检测！
   当然也可以修改时间间隔参数，但是会影响到所有打开此选项的套接口！
         关联了完成端口的socket可能会忽略掉该套接字选项。

(2)SIO_KEEPALIVE_VALS 机制
         这是从彭博兄那里学到一个机制拉，设置接口是WSAIoctl API:
     DWORD dwError = 0L ;
     tcp_keepalive sKA_Settings = {0}, sReturned = {0} ;
     sKA_Settings.onoff = 1 ;
     sKA_Settings.keepalivetime = 5500 ; // Keep Alive in 5.5 sec.
     sKA_Settings.keepaliveinterval = 3000 ; // Resend if No-Reply
     if (WSAIoctl(skNewConnection, SIO_KEEPALIVE_VALS, &sKA_Settings,
          sizeof(sKA_Settings), &sReturned, sizeof(sReturned), &dwBytes,
          NULL, NULL) != 0)
     {
           dwError = WSAGetLastError() ;
     }
     实现时需要添加tcp_keepalive and SIO_KEEPALIVE_VALS的定义文件MSTCPiP.h
     该选项不同于SO_KEEPALIVE 机制的就是它是针对单个连接的，对系统其他的套接
     口并不影响。
        针对完成端口的socket,设置了SIO_KEEPALIVE_VALS后，激活包由TCP STACK来负责。
     当网络连接断开后，TCP STACK并不主动告诉上层的应用程序，但是当下一次RECV或者SEND操作
     进行后，马上就会返回错误告诉上层这个连接已经断开了.如果检测到断开的时候，在这个连接
     上有正在PENDING的IO操作，则马上会失败返回.

该机制的缺点：
             不通用啦。MS的API只能用于Windows拉。不过，呵呵用彭博兄的评论就是：
     优雅一些^_^.

(3)Heart-Beat线程
        没说的。自己写一个后台线程，实现Heart-Beat包，客户端受到该包后，立刻返回相应的反馈  包。

该方法的好处是通用，但缺点就是会改变现有的通讯协议！

有开发网络应用经历的人都知道，网络中的接收和发送数据都是使用WINDOWS中的SOCKET进行实现。但是如果此套接字已经断开，那发送数据和接收数据的时候就一定会有问题。可是如何判断这个套接字是否还可以使用呢？

　　有人一定想到使用Send函数中的返回结果来进行判断。如果返回的长度和自己发送出去的长度一致，那就说明这个套接字是可用的，否则此套接字一定出现了问题。但是我们并不是无时无刻的发送数据呀。如何解决呢？

　　其实TCP中已经为我们实现了一个叫做心跳的机制。如果你设置了心跳，那TCP就会在一定的时间（比如你设置的是３秒钟）内发送你设置的次数的心跳（比如说２次），并且此信息不会影响你自己定义的协议。

　　在VC中实现心跳的例子很多，可是在DLEPHI中一直没有相应的代码。下面我是我使用DELPHI编写的关于心跳的代码（以IOCP为例），希望对大家有帮助。

定义心跳常量

const
  IOC_IN               =$80000000;
  IOC_VENDOR           =$18000000;
  IOC_out              =$40000000;
  SIO_KEEPALIVE_VALS   =IOC_IN or IOC_VENDOR or 4;

var

inKeepAlive,OutKeepAlive:TTCP_KEEPALIVE;

实现代码是在Acceptsc:= WSAAccept(Listensc, nil, nil, nil, 0);代码的后面加入：

opt:=1;
      if setsockopt(Acceptsc,SOL_SOCKET,SO_KEEPALIVE,@opt,sizeof(opt))=SOCKET_ERROR then
      begin
        closesocket(Acceptsc);
      end;
      inKeepAlive.onoff:=1;
      //设置３秒钟时间间隔

　 inKeepAlive.keepalivetime:=3000;

//设置每３秒中发送１次的心跳
      inKeepAlive.keepaliveinterval:=1;
      insize:=sizeof(TTCP_KEEPALIVE);
      outsize:=sizeof(TTCP_KEEPALIVE);
      if WSAIoctl(Accept,SIO_KEEPALIVE_VALS,@inKeepAlive,insize,@outKeepAlive,outsize,@outByte,nil,nil)=SOCKET_ERROR then
      begin
        closesocket(Acceptsc);
      end;

如果加入以上的代码以后，系统会每３秒中加入一次的心跳。并且如果客户端断线以后（网线断），函数GetQueuedCompletionStatus会返回FALSE。

if (GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, BytesTransferred,DWORD(PerHandleData), POverlapped(PerIoData), INFINITE) = False) then
begin
//在这里处理客户端断线信息。

　　　continue;
end;

以上就是我使用心跳的方法，此方法我已经在我的网络游戏中使用。情况稳定！

网络程序容易出现死连接，连接以经无效了，但是连接状态还是ESTABLISHED状态，如何识别连接以经失效就需要使用

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下面是方法2的一段可用代码（经过僧僧鞋子测试可用!!!）

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保活机制(心跳机制)下面是一个代码效果还是挺好的，感谢cooldiyer的资料

typedef struct STcpKeepAlive2
{
    DWORD onoff;
    DWORD keepalivetime;
    DWORD keepaliveinterval;

}TCP_KEEP_ALIVE2;

VOID SetKeepLive(SOCKET m_Socket)
{
    const char chOpt = 1; // True
    // Set KeepAlive 开启保活机制, 防止服务端产生死连接
    if (setsockopt(m_Socket, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (char *)&chOpt, sizeof(chOpt)) == 0)
    {
        // 设置超时详细信息
        TCP_KEEP_ALIVE2 klive;
        klive.onoff = 1; // 启用保活
        klive.keepalivetime = 1000 * 15; // 3分钟超时 Keep Alive
        klive.keepaliveinterval = 1000 * 5; // 重试间隔为5秒 Resend if No-Reply
        WSAIoctl
            (
            m_Socket,
            SIO_KEEPALIVE_VALS,
            &klive,
            sizeof(TCP_KEEP_ALIVE2),
            NULL,
            0,
            (unsigned long *)&chOpt,
            0,
            NULL
            );
    }

}

其中SIO_KEEPALIVE_VALS的值定义为: const int SIO_KEEPALIVE_VALS =IOC_IN | IOC_VENDOR | 4;

注：SIO_KEEPALIVE_VALS 只有在winsock2下才可使用

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