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TCP如何建立长连接

news 来源：原创 2024/9/16 11:25:45

文章目录

- TCP建立长连接
- - 长连接和短连接
  - - 长连接的优势
    - TCP KEEPALIVE
  - 心跳包
  - - 心跳检测步骤
  - 断线重连
  - - 断线重连函数实现
- 实例
- - 服务端
  - 客户端
  - - 程序功能
    - 演示效果

TCP建立长连接

长连接和短连接

长连接是指不论TCP的客户端和服务器之间是否有数据传输，都保持建立的TCP连接；
短连接则不同，一旦两者之间的数据传输完毕，则立即断开连接，下次需要传输数据时再重新创建连接

长连接的优势

由于TCP建立连接需要进行三次握手，每次建立连接都需要进行资源消耗，对于频繁请求资源的客户端而言，长连接可减少大量开销

TCP KEEPALIVE

TCP中默认包含一个keep-alive机制用于检测连接是否可用，TCP在链路空闲时定时（默认两小时）发送数据给对方，双方处理结果如下：

主机可达，对方收到数据之后响应ACK应答，则连接正常
主机可达，但程序退出，对方则发送RST应答，发送TCP撤销连接
主机可达，但程序崩溃，对方发送FIN消息

对方主机不响应ACK、RST，继续发送消息直到超时（两小时），就撤销连接

虽然TCP已经有了keep-alive机制保证连接的可靠性，但是其仍有一定的局限性

keep-alive只能检测连接是否存活，但无法检测其是否可用。例如：socket连接虽然存在，但是无法对该连接进行读写操作，keep-alive机制是无法获知的
keep-alive的灵活性不够，其默认间隔为两小时，无法及时获知TCP连接情况
keep-alive无法检测到机器断电、网线拔出、防火墙等导致的断线问题

心跳包

心跳包就是探测性的数据包，因为它像心跳一样每隔固定时间发送，以此来通知服务器自己仍处于存活状态，以保持长连接。心跳包的内容基本没有要求，一般是很小的数据包，或者是仅包含包头的空包

如果不主动关闭socket，操作系统是不会将其关闭的，这样socket所在的进程如果没有挂掉，则socket所占用的资源将一直无法回收。不仅如此，防火墙会自动关闭一定时间没有进行数据交互的连接。因此，我们需要自己实现心跳包，用于长连接的保活、断线处理及资源回收等操作。

一般来说，心跳包的频率为30~40秒，如果对实时性要求较高，则可进一步减小时间间隔

心跳检测步骤

客户端定时发送探测包给服务器，同时启动超时定时器
服务器接收到检测包之后就回复一个数据包
客户端如果接收到服务器的返信，则表示服务器正常，定时器结束
如果客户端定时器超时仍没有接收到服务器返信，则表示服务器停止工作

断线重连

长连接断开原因
在长连接通信过程中，双方的所有通信都建立在1条长连接上（1次TCP连接），因此连接需要持续保持双方连接才可使得双方持续通信
长连接会存在断开的情况，而断开原因主要是：

长连接所在进程被杀死 NAT超时
网络状态发生变化
其他不可抗因素（网络状态差、DHCP的租期等等）

维持长连接的另一个方法是断线重连

如果服务器因为某种故障导致连接无法正常使用，客户端使用心跳检测发现了服务器端掉线，则客户端可进行断线重连操作

我们将之前写的Linux创建tcp连接流程中的程序的客户端进行修改，进而实现服务器断开连接之后，客户端会自动重连

断线重连函数实现

void reconnect()
{printf("------Reconnect ...-----\n");sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6666);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");int retry = 5;		//掉线后重连五次，期间重连成功直接退出while(retry > 0){confd = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));if(confd < 0)perror("connect");elsebreak;sleep(3);retry--;} 
}

需要注意的是，在判断连接是否断开时，可以判断recv函数是否成功，而非send函数
原因在于，send函数在将数据发送出去就立即返回，不论传输是否成功；
而recv是等数据传输完成之后才会返回，因此使用recv的结果作为判断连接是否成功才更为准确

实例

服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>#define MAXLINE 4096int main() {int sockfd, connfd;struct sockaddr_in servaddr;char buff[MAXLINE];int n;if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {printf("Create socket error: %s (errno: %d)\n", strerror(errno), errno);return 0;}int opt = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(6666);if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {printf("Bind socket error: %s (errno: %d)\n", strerror(errno), errno);return 0;}if (listen(sockfd, 10) == -1) {printf("Listen socket error: %s (errno: %d)\n", strerror(errno), errno);return 0;}printf("====Waiting for client's request=======\n");while (1) {if ((connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)NULL, NULL)) == -1) {printf("Accept socket error: %s (errno: %d)\n", strerror(errno), errno);continue;}while (1) {n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);if (n <= 0) {if (n == 0) {printf("Client disconnected\n");} else {printf("Recv error: %s (errno: %d)\n", strerror(errno), errno);}break;}buff[n] = '\0';printf("Recv msg from client: %s\n", buff);if(!strcmp(buff, "keepalive"))continue;memset(buff, 0x00, sizeof(buff));printf("send msg to Client: ");fgets(buff, MAXLINE, stdin);if (send(connfd, buff, strlen(buff), 0) < 0) {printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);break;}}close(connfd);}close(sockfd);return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 4096int sockfd = 0;
int confd = 0;
int count = 0;
char ipAddr[24] = "";int reconnect() {close(sockfd);sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket");return 0;}struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6666);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipAddr);int retry = 5;while (retry > 0) {confd = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));if (confd < 0) {perror("connect");} else {return 1;}sleep(3);printf("------Reconnect ...-----\n");retry--;}return 0;
}void printMes(int signo) {char heartData[12] = "keepalive";printf("Get a SIGALRM, %d counts!\n", ++count);if (send(sockfd, heartData, strlen(heartData), 0) < 0) {printf("send msg error: %s(errno :%d)\n", strerror(errno), errno);if (0 == reconnect()) {printf("The reconnect failed!!!\n");return;}}
}void initTimer() {struct itimerval tick;signal(SIGALRM, printMes);memset(&tick, 0, sizeof(tick));tick.it_value.tv_sec = 10;tick.it_value.tv_usec = 0;tick.it_interval.tv_sec = 10;tick.it_interval.tv_usec = 0;if (setitimer(ITIMER_REAL, &tick, NULL) < 0) {printf("Set timer failed!\n");}
}int main(int argc, char** argv) {int n;char recvline[4096], sendline[4096];struct sockaddr_in servaddr;if (argc != 2) {printf("usage: ./client <ipaddress>\n");return 0;}memcpy(ipAddr, argv[1], sizeof(ipAddr));if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {printf("create socket error: %s (errno :%d)\n", strerror(errno), errno);return 0;}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(6666);if (inet_pton(AF_INET, ipAddr, &servaddr.sin_addr) <= 0) {printf("inet_pton error for %s\n", argv[1]);return 0;}if ((confd = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))) < 0) {printf("connect socket error: %s(errno :%d)\n", strerror(errno), errno);return 0;}initTimer();while (1) {memset(sendline, 0x00, sizeof(sendline));printf("send msg to server:\n");fgets(sendline, 4096, stdin);if (strstr(sendline, "exit")) {printf("The socket is free....\n");break;}if (send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0) {printf("send msg error: %s(errno :%d)\n", strerror(errno), errno);if (0 == reconnect()) {return 0;}}n = recv(sockfd, recvline, MAXLINE, 0);if (n < 0) {printf("recv error: %s(errno :%d)\n", strerror(errno), errno);if (0 == reconnect()) {return 0;}} else if (n == 0) {printf("server closed connection\n");if (0 == reconnect()) {return 0;}} else {recvline[n] = '\0';printf("recv msg from server: %s\n", recvline);}}close(sockfd);return 0;
}