KeepAlive的开启配置相关知识点
shadema 2014-09-06
我为什么要谈KeepAlive
最近工作中遇到一个问题，想把它记录下来，场景是这样的：
从上图可以看出，用户通过Client访问的是LVS的VIP， VIP后端挂载的RealServer是Nginx服务器。 Client可以是浏览器也可以是一个客户端程序。一般情况下，这种架构不会出现问题，但是如果Client端把请求发送给Nginx，Nginx的后端需要一段时间才能返回结果，超过1分30秒就会有问题，使用LVS作为负载均衡设备看到的现象就是1分30秒之后， Client和Nginx链接被断开，没有数据返回。原因是LVS默认保持TCP的Session为90s，超过90s没有TCP报文在链接上传输，LVS就会给两端发送RESET报文断开链接。LVS这么做的原因相信大家都知道一二，我所知道的原因主要有两点：
1.节省负载均衡设备资源，每一个TCP/UDP的链接都会在负载均衡设备上创建一个Session的结构， 链接如果一直不断开，这种Session结构信息最终会消耗掉所有的资源，所以必须释放掉。 2.另外释放掉能保护后端的资源，如果攻击者通过空链接，链接到Nginx上，如果Nginx没有做合适 的保护，Nginx会因为链接数过多而无法提供服务。
这种问题不只是在LVS上有，之前在商用负载均衡设备F5上遇到过同样的问题，F5的Session断开方式和LVS有点区别，F5不会主动发送RESET给链接的两端，Session消失之后，当链接中一方再次发送报文时会接收到F5的RESET, 之后的现象是再次发送报文的一端TCP链接状态已经断开，而另外一端却还是ESTABLISH状态。
知道是负载均衡设备原因之后，第一反应就是通过开启KeepAlive来解决。到此这个问题应该是结束了，但是我发现过一段时间总又有人提起KeepAlive的问题，甚至发现由于KeepAlive的理解不正确浪费了很多资源，原本能使用LVS的应用放在了公网下沉区，或者换成了商用F5设备(F5设备的Session断开时间要长一点，默认应该是5分钟)。所以我决定把我知道的KeepAlive知识点写篇博客分享出来。
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）:
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：
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。
如何开启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：
- net.ipv4.tcpkeepaliveintvl = 75
- net.ipv4.tcpkeepaliveprobes = 9
- net.ipv4.tcpkeepalivetime = 7200
tcpkeepalivetime的单位是秒，表示TCP链接在多少秒之后没有数据报文传输启动探测报文; tcpkeepaliveintvl单位是也秒,表示前一个探测报文和后一个探测报文之间的时间间隔，tcpkeepaliveprobes表示探测的次数。
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。
