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聊聊 TCP 长连接和心跳那些事

前言

可能很多 Java 程序员对 TCP 的理解只有一个三次握手,四次握手的认识,我觉得这样的原因主要在于 TCP 协议本身稍微有点抽象(相比较于应用层的 HTTP 协议);其次,非框架开发者不太需要接触到 TCP 的一些细节。其实我个人对 TCP 的很多细节也并没有完全理解,这篇文章主要针对微信交流群里有人提出的长连接,心跳问题,做一个统一的整理。

在 Java 中,使用 TCP 通信,大概率会涉及到 Socket、Netty,本文将借用它们的一些 API 和设置参数来辅助介绍。

长连接与短连接

TCP 本身并没有长短连接的区别,长短与否,完全取决于我们怎么用它。

  • 短连接:每次通信时,创建 Socket;一次通信结束,调用 socket.close()。这就是一般意义上的短连接,短连接的好处是管理起来比较简单,存在的连接都是可用的连接,不需要额外的控制手段。
  • 长连接:每次通信完毕后,不会关闭连接,这样可以做到连接的复用。长连接的好处是省去了创建连接的耗时。

短连接和长连接的优势,分别是对方的劣势。想要图简单,不追求高性能,使用短连接合适,这样我们就不需要操心连接状态的管理;想要追求性能,使用长连接,我们就需要担心各种问题:比如端对端连接的维护,连接的保活

长连接还常常被用来做数据的推送,我们大多数时候对通信的认知还是 request/response 模型,但 TCP 双工通信的性质决定了它还可以被用来做双向通信。在长连接之下,可以很方便的实现 push 模型,长连接的这一特性在本文并不会进行探讨,有兴趣的同学可以专门去搜索相关的文章。

短连接没有太多东西可以讲,所以下文我们将目光聚焦在长连接的一些问题上。纯讲理论未免有些过于单调,所以下文我借助一些 RPC 框架的实践来展开 TCP 的相关讨论。

服务治理框架中的长连接

前面已经提到过,追求性能时,必然会选择使用长连接,所以借助 Dubbo 可以很好的来理解 TCP。我们开启两个 Dubbo 应用,一个 server 负责监听本地 20880 端口(众所周知,这是 Dubbo 协议默认的端口),一个 client 负责循环发送请求。执行 lsof -i:20880 命令可以查看端口的相关使用情况:

image-20190106203341694

  • *:20880 (LISTEN) 说明了 Dubbo 正在监听本地的 20880 端口,处理发送到本地 20880 端口的请求
  • 后两条信息说明请求的发送情况,验证了 TCP 是一个双向的通信过程,由于我是在同一个机器开启了两个 Dubbo 应用,所以你能够看到是本地的 53078 端口与 20880 端口在通信。我们并没有手动设置 53078 这个客户端端口,它是随机的。通过这两条信息,阐释了一个事实:即使是发送请求的一方,也需要占用一个端口
  • 稍微说一下 FD 这个参数,他代表了文件句柄,每新增一条连接都会占用新的文件句柄,如果你在使用 TCP 通信的过程中出现了 open too many files 的异常,那就应该检查一下,你是不是创建了太多连接,而没有关闭。细心的读者也会联想到长连接的另一个好处,那就是会占用较少的文件句柄。

长连接的维护

因为客户端请求的服务可能分布在多个服务器上,客户端自然需要跟对端创建多条长连接,我们遇到的第一个问题就是如何维护长连接。

// 客户端
public class NettyHandler extends SimpleChannelHandler {

    private final Map<String, Channel> channels = new ConcurrentHashMap<String, Channel>(); // <ip:port, channel>
}
// 服务端
public class NettyServer extends AbstractServer implements Server {
    private Map<String, Channel> channels; // <ip:port, channel>
}
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在 Dubbo 中,客户端和服务端都使用 ip:port 维护了端对端的长连接,Channel 便是对连接的抽象。我们主要关注 NettyHandler 中的长连接,服务端同时维护一个长连接的集合是 Dubbo 的额外设计,我们将在后面提到。

这里插一句,解释下为什么我认为客户端的连接集合要重要一点。TCP 是一个双向通信的协议,任一方都可以是发送者,接受者,那为什么还抽象了 Client 和 Server 呢?因为建立连接这件事就跟谈念爱一样,必须要有主动的一方,你主动我们就会有故事。Client 可以理解为主动建立连接的一方,实际上两端的地位可以理解为是对等的。

连接的保活

这个话题就有的聊了,会牵扯到比较多的知识点。首先需要明确一点,为什么需要连接的保活?当双方已经建立了连接,但因为网络问题,链路不通,这样长连接就不能使用了。需要明确的一点是,通过 netstat,lsof 等指令查看到连接的状态处于 ESTABLISHED 状态并不是一件非常靠谱的事,因为连接可能已死,但没有被系统感知到,更不用提假死这种疑难杂症了。如果保证长连接可用是一件技术活。

连接的保活:KeepAlive

首先想到的是 TCP 中的 KeepAlive 机制。KeepAlive 并不是 TCP 协议的一部分,但是大多数操作系统都实现了这个机制(所以需要在操作系统层面设置 KeepAlive 的相关参数)。KeepAlive 机制开启后,在一定时间内(一般时间为 7200s,参数 tcp_keepalive_time)在链路上没有数据传送的情况下,TCP 层将发送相应的 KeepAlive 探针以确定连接可用性,探测失败后重试 10(参数 tcp_keepalive_probes)次,每次间隔时间 75s(参数 tcp_keepalive_intvl),所有探测失败后,才认为当前连接已经不可用。

在 Netty 中开启 KeepAlive:

bootstrap.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
复制代码

Linux 操作系统中设置 KeepAlive 相关参数,修改 /etc/sysctl.conf 文件:

net.ipv4.tcp_keepalive_time=90
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=15
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=2
复制代码

KeepAlive 机制是在网络层面保证了连接的可用性,但站在应用框架层面我们认为这还不够。主要体现在三个方面:

  • KeepAlive 的开关是在应用层开启的,但是具体参数(如重试测试,重试间隔时间)的设置却是操作系统级别的,位于操作系统的 /etc/sysctl.conf 配置中,这对于应用来说不够灵活。
  • KeepAlive 的保活机制只在链路空闲的情况下才会起到作用,假如此时有数据发送,且物理链路已经不通,操作系统这边的链路状态还是 ESTABLISHED,这时会发生什么?自然会走 TCP 重传机制,要知道默认的 TCP 超时重传,指数退避算法也是一个相当长的过程。
  • KeepAlive 本身是面向网络的,并不面向于应用,当连接不可用,可能是由于应用本身的 GC 频繁,系统 load 高等情况,但网络仍然是通的,此时,应用已经失去了活性,连接应该被认为是不可用的。

我们已经为应用层面的连接保活做了足够的铺垫,下面就来一起看看,怎么在应用层做连接保活。

连接的保活:应用层心跳

终于点题了,文题中提到的心跳便是一个本文想要重点强调的另一个重要的知识点。上一节我们已经解释过了,网络层面的 KeepAlive 不足以支撑应用级别的连接可用性,本节就来聊聊应用层的心跳机制是实现连接保活的。

如何理解应用层的心跳?简单来说,就是客户端会开启一个定时任务,定时对已经建立连接的对端应用发送请求(这里的请求是特殊的心跳请求),服务端则需要特殊处理该请求,返回响应。如果心跳持续多次没有收到响应,客户端会认为连接不可用,主动断开连接。不同的服务治理框架对心跳,建连,断连,拉黑的机制有不同的策略,但大多数的服务治理框架都会在应用层做心跳,Dubbo/HSF 也不例外。

应用层心跳的设计细节

以 Dubbo 为例,支持应用层的心跳,客户端和服务端都会开启一个 HeartBeatTask,客户端在 HeaderExchangeClient 中开启,服务端将在 HeaderExchangeServer 开启。文章开头埋了一个坑:Dubbo 为什么在服务端同时维护 Map<String,Channel> 呢?主要就是为了给心跳做贡献,心跳定时任务在发现连接不可用时,会根据当前是客户端还是服务端走不同的分支,客户端发现不可用,是重连;服务端发现不可用,是直接 close。

// HeartBeatTask
if (channel instanceof Client) {
    ((Client) channel).reconnect();
} else {
    channel.close();
}
复制代码

Dubbo 2.7.x 相比 2.6.x 做了定时心跳的优化,使用 HashedWheelTimer 更加精准的控制了只在连接闲置时发送心跳。

再看看 HSF 的实现,并没有设置应用层的心跳,准确的说,是在 HSF2.2 之后,使用 Netty 提供的 IdleStateHandler 更加优雅的实现了应用的心跳。

ch.pipeline()
        .addLast("clientIdleHandler", new IdleStateHandler(getHbSentInterval(), 0, 0));
复制代码

处理 userEventTriggered 中的 IdleStateEvent 事件

@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
    if (evt instanceof IdleStateEvent) {
        callConnectionIdleListeners(client, (ClientStream) StreamUtils.streamOfChannel(ctx.channel()));
    } else {
        super.userEventTriggered(ctx, evt);
    }
}
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对于客户端,HSF 使用 SendHeartbeat 来进行心跳,每次失败累加心跳失败的耗时,当超过最大限制时断开乱接;对于服务端 HSF 使用 CloseIdle 来处理闲置连接,直接关闭连接。一般来说,服务端的闲置时间会设置的稍长。

熟悉其他 RPC 框架的同学会发现,不同框架的心跳机制真的是差距非常大。心跳设计还跟连接创建,重连机制,黑名单连接相关,还需要具体框架具体分析。

除了定时任务的设计,还需要在协议层面支持心跳。最简单的例子可以参考 nginx 的健康检查,而针对 Dubbo 协议,自然也需要做心跳的支持,如果将心跳请求识别为正常流量,会造成服务端的压力问题,干扰限流等诸多问题。

dubbo protocol

其中 Flag 代表了 Dubbo 协议的标志位,一共 8 个地址位。低四位用来表示消息体数据用的序列化工具的类型(默认 hessian),高四位中,第一位为1表示是 request 请求,第二位为 1 表示双向传输(即有返回response),第三位为 1 表示是心跳事件

心跳请求应当和普通请求区别对待。

注意和 HTTP 的 KeepAlive 区别对待

  • HTTP 协议的 KeepAlive 意图在于连接复用,同一个连接上串行方式传递请求-响应数据
  • TCP 的 KeepAlive 机制意图在于保活、心跳,检测连接错误。

这压根是两个概念。

KeepAlive 常见错误

启用 TCP KeepAlive 的应用程序,一般可以捕获到下面几种类型错误

  1. ETIMEOUT 超时错误,在发送一个探测保护包经过 (tcp_keepalive_time + tcp_keepalive_intvl * tcp_keepalive_probes)时间后仍然没有接收到 ACK 确认情况下触发的异常,套接字被关闭

    java.io.IOException: Connection timed out
    复制代码
  2. EHOSTUNREACH host unreachable(主机不可达)错误,这个应该是 ICMP 汇报给上层应用的。

    java.io.IOException: No route to host
    复制代码
  3. 链接被重置,终端可能崩溃死机重启之后,接收到来自服务器的报文,然物是人非,前朝往事,只能报以无奈重置宣告之。

    java.io.IOException: Connection reset by peer
    复制代码

总结

有三种使用 KeepAlive 的实践方案:

  1. 默认情况下使用 KeepAlive 周期为 2 个小时,如不选择更改,属于误用范畴,造成资源浪费:内核会为每一个连接都打开一个保活计时器,N 个连接会打开 N 个保活计时器。 优势很明显:
    • TCP 协议层面保活探测机制,系统内核完全替上层应用自动给做好了
    • 内核层面计时器相比上层应用,更为高效
    • 上层应用只需要处理数据收发、连接异常通知即可
    • 数据包将更为紧凑
  2. 关闭 TCP 的 KeepAlive,完全使用应用层心跳保活机制。由应用掌管心跳,更灵活可控,比如可以在应用级别设置心跳周期,适配私有协议。
  3. 业务心跳 + TCP KeepAlive 一起使用,互相作为补充,但 TCP 保活探测周期和应用的心跳周期要协调,以互补方可,不能够差距过大,否则将达不到设想的效果。

各个框架的设计都有所不同,例如 Dubbo 使用的是方案三,但阿里内部的 HSF 框架则没有设置 TCP 的 KeepAlive,仅仅由应用心跳保活。和心跳策略一样,这和框架整体的设计相关。

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