KeepAlive详解

什么是KeepAlive？

首先，我们要明确我们谈的是TCP的 KeepAlive 还是HTTP的 Keep-Alive。TCP的KeepAlive和HTTP的Keep-Alive是完全不同的概念，不能混为一谈。实际上HTTP的KeepAlive写法是Keep-Alive，跟TCP的KeepAlive写法上也有不同。

TCP的keepalive是侧重在保持客户端和服务端的连接，一方会不定期发送心跳包给另一方，当一方端掉的时候，没有断掉的定时发送几次心跳包，如果间隔发送几次，对方都返回的是RST，而不是ACK，那么就释放当前链接。设想一下，如果tcp层没有keepalive的机制，一旦一方断开连接却没有发送FIN给另外一方的话，那么另外一方会一直以为这个连接还是存活的，几天，几月。那么这对服务器资源的影响是很大的。
HTTP的keep-alive一般我们都会带上中间的横杠，普通的http连接是客户端连接上服务端，然后结束请求后，由客户端或者服务端进行http连接的关闭。下次再发送请求的时候，客户端再发起一个连接，传送数据，关闭连接。这么个流程反复。但是一旦客户端发送connection:keep-alive头给服务端，且服务端也接受这个keep-alive的话，两边对上暗号，这个连接就可以复用了，一个http处理完之后，另外一个http数据直接从这个连接走了。减少新建和断开TCP连接的消耗。

二者的作用简单来说：

HTTP协议的Keep-Alive意图在于短时间内连接复用，希望可以短时间内在同一个连接上进行多次请求/响应。

TCP的KeepAlive机制意图在于保活、心跳，检测连接错误。当一个TCP连接两端长时间没有数据传输时(通常默认配置是2小时)，发送keepalive探针，探测链接是否存活。

总之，记住HTTP的Keep-Alive和TCP的KeepAlive不是一回事。

tcp的keepalive是在ESTABLISH状态的时候，双方如何检测连接的可用行。而http的keep-alive说的是如何避免进行重复的TCP三次握手和四次挥手的环节。

TCP的KeepAlive

1.为什么要有KeepAlive？

在谈KeepAlive之前，我们先来了解下简单TCP知识(知识很简单，高手直接忽略)。首先要明确的是在TCP层是没有“请求”一说的，经常听到在TCP层发送一个请求，这种说法是错误的。

TCP是一种通信的方式，“请求”一词是事务上的概念，HTTP协议是一种事务协议，如果说发送一个HTTP请求，这种说法就没有问题。也经常听到面试官反馈有些面试运维的同学，基本的TCP三次握手的概念不清楚，面试官问TCP是如何建立链接，面试者上来就说，假如我是客户端我发送一个请求给服务端，服务端发送一个请求给我。。。

这种一听就知道对TCP基本概念不清楚。下面是我通过wireshark抓取的一个TCP建立握手的过程。（命令行基本上用TCPdump,后面我们还会用这张图说明问题）:

TCP抓包

现在我看只要看前3行，这就是TCP三次握手的完整建立过程，第一个报文SYN从发起方发出，第二个报文SYN,ACK是从被连接方发出，第三个报文ACK确认对方的SYN，ACK已经收到，如下图：

TCP建立连接过程

但是数据实际上并没有传输，请求是有数据的，第四个报文才是数据传输开始的过程，细心的读者应该能够发现wireshark把第四个报文解析成HTTP协议，HTTP协议的GET方法和URI也解析出来，所以说TCP层是没有请求的概念，HTTP协议是事务性协议才有请求的概念，TCP报文承载HTTP协议的请求(Request)和响应(Response)。

现在才是开始说明为什么要有KeepAlive。链接建立之后，如果应用程序或者上层协议一直不发送数据，或者隔很长时间才发送一次数据，当链接很久没有数据报文传输时如何去确定对方还在线，到底是掉线了还是确实没有数据传输，链接还需不需要保持，这种情况在TCP协议设计中是需要考虑到的。

TCP协议通过一种巧妙的方式去解决这个问题，当超过一段时间之后，TCP自动发送一个数据为空的报文给对方，如果对方回应了这个报文，说明对方还在线，链接可以继续保持，如果对方没有报文返回，并且重试了多次之后则认为链接丢失，没有必要保持链接。

2.怎么开启KeepAlive？

KeepAlive并不是默认开启的，在Linux系统上没有一个全局的选项去开启TCP的KeepAlive。需要开启KeepAlive的应用必须在TCP的socket中单独开启。Linux Kernel有三个选项影响到KeepAlive的行为：

tcp_keepalive_time 7200// 距离上次传送数据多少时间未收到新报文判断为开始检测，单位秒，默认7200s

tcp_keepalive_intvl 75// 检测开始每多少时间发送心跳包，单位秒，默认75s

tcp_keepalive_probes 9// 发送几次心跳包对方未响应则close连接，默认9次

TCP socket也有三个选项和内核对应，通过setsockopt系统调用针对单独的socket进行设置：

TCPKEEPCNT: 覆盖 tcpkeepaliveprobes

TCPKEEPIDLE: 覆盖 tcpkeepalivetime

TCPKEEPINTVL: 覆盖 tcpkeepalive_intvl

举个例子，以我的系统默认设置为例，kernel默认设置的tcpkeepalivetime是7200s, 如果我在应用程序中针对socket开启了KeepAlive,然后设置的TCP_KEEPIDLE为60，那么TCP协议栈在发现TCP链接空闲了60s没有数据传输的时候就会发送第一个探测报文。

3. 需要注意，KeepAlive的不足和局限性

其实，tcp自带的keepalive还是有些不足之处的。

keepalive只能检测连接是否存活，不能检测连接是否可用。例如，某一方发生了死锁，无法在连接上进行任何读写操作，但是操作系统仍然可以响应网络层keepalive包。

TCP keepalive 机制依赖于操作系统的实现,灵活性不够，默认关闭，且默认的 keepalive 心跳时间是两个小时, 时间较长。

代理(如socks proxy)、或者负载均衡器，会让tcp keep-alive失效

基于此，我们旺旺需要加上应用层的心跳。这个需要自己实现，这里就不展开了。

HTTP的Keep-Alive

1. HTTP为什么需要Keep-Alive？

通常一个网页可能会有很多组成部分，除了文本内容，还会有诸如：js、css、图片等静态资源，有时还会异步发起AJAX请求。只有所有的资源都加载完毕后，我们看到网页完整的内容。然而，一个网页中，可能引入了几十个js、css文件，上百张图片，如果每请求一个资源，就创建一个连接，然后关闭，代价实在太大了。

基于此背景，我们希望连接能够在短时间内得到复用，在加载同一个网页中的内容时，尽量的复用连接，这就是HTTP协议中keep-alive属性的作用。

HTTP的Keep-Alive是HTTP1.1中默认开启的功能。通过headers设置"Connection: close "关闭

在HTTP1.0中是默认关闭的。通过headers设置"Connection: Keep-Alive"开启。

对于客户端来说，不论是浏览器，还是手机App，或者我们直接在Java代码中使用HttpUrlConnection，只是负责在请求头中设置Keep-Alive。Keep-Alive属性保持连接的时间长短是由服务端决定的，通常配置都是在几十秒左右。

TCP连接建立之后，HTTP协议使用TCP传输HTTP协议的请求(Request)和响应(Response)数据，一次完整的HTTP事务如下图：

HTTP请求

这张图我简化了HTTP(Req)和HTTP(Resp)，实际上的请求和响应需要多个TCP报文。
从图中可以发现一个完整的HTTP事务，有链接的建立，请求的发送，响应接收，断开链接这四个过程，早期通过HTTP协议传输的数据以文本为主，一个请求可能就把所有要返回的数据取到，但是，现在要展现一张完整的页面需要很多个请求才能完成，如图片.JS.CSS等，如果每一个HTTP请求都需要新建并断开一个TCP，这个开销是完全没有必要的。

开启HTTP Keep-Alive之后，能复用已有的TCP链接，当前一个请求已经响应完毕，服务器端没有立即关闭TCP链接，而是等待一段时间接收浏览器端可能发送过来的第二个请求，通常浏览器在第一个请求返回之后会立即发送第二个请求，如果某一时刻只能有一个链接，同一个TCP链接处理的请求越多，开启KeepAlive能节省的TCP建立和关闭的消耗就越多。

当然通常会启用多个链接去从服务器器上请求资源，但是开启了Keep-Alive之后，仍然能加快资源的加载速度。HTTP/1.1之后默认开启Keep-Alive, 在HTTP的头域中增加Connection选项。当设置为Connection:keep-alive表示开启，设置为Connection:close表示关闭。