TCP 原生 Keepalive 功能的使用

心跳与连接假死

在使用 TCP 协议开发网络应用时，经常会遇到一个棘手问题：客户端与服务端建立连接后，长时间空闲（没有数据交互）可能导致连接看似正常，但实际上已经不可用，俗称“连接假死”。

通常的解决方案是应用层引入“心跳机制”，定期发送自定义消息检测连接状态。然而，若服务端没有提供无害操作，且我们无法修改服务端代码时，这时应该怎么办？这时就可以考虑使用操作系统内核提供的 TCP Keepalive 功能。

TCP Keepalive

TCP Keepalive 是 TCP 协议栈自带的一种机制，由操作系统内核实现。它能在 TCP 连接长时间空闲时，自动向对端发送探测包，检测连接是否仍然有效。

其主要作用和通常的心跳功能一样：检测对端连接是否还活跃，避免“假死”连接，节约资源。

TCP Keepalive 的实现原理如下：

1. 当 TCP 连接在一定时间内没有数据交互后（即空闲状态），TCP 协议栈会主动发送 Keepalive 探测包。
2. 如果对端连接正常，会立即回应 ACK，表明连接仍然有效。
3. 如果对端已经不可达或断开，探测包就不会收到回应。系统会多次重试探测，直到超过指定的次数后，认为连接失效，并关闭连接。

Linux 实现

以 Linux 操作系统为例，TCP Keepalive 有三个核心参数：

参数	含义	默认值
tcp_keepalive_time	连接空闲多久后发送第一个探测包	7200 秒（2小时）
tcp_keepalive_intvl	探测包发送间隔	75 秒
tcp_keepalive_probes	探测失败多少次后断开连接	9 次

默认情况下，Linux Keepalive 的设置周期较长，并不适合大多数应用，需要根据实际需求进行调整。

下面以 Python 为例演示如何设置 Keepalive。

import socket

# 创建 TCP socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 开启 Keepalive
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_KEEPALIVE, 1)

# 配置 Keepalive 参数 (Linux)
s.setsockopt(socket.IPPROTO_TCP, socket.TCP_KEEPIDLE, 60)   # 60秒空闲后发送探测包
s.setsockopt(socket.IPPROTO_TCP, socket.TCP_KEEPINTVL, 10)  # 探测间隔10秒
s.setsockopt(socket.IPPROTO_TCP, socket.TCP_KEEPCNT, 3)     # 连续3次失败则关闭连接

# 连接服务器
s.connect(('example.com', 80))

# 后续使用 socket 进行通信，且此连接会自动检测心跳

TCP Keepalive 是系统级别的配置，精细控制程度不如应用层心跳机制。另外注意防火墙或 NAT 的影响。