图解计算机网络
首页 死磕 Java 优质系列 Java 技术总览 Java 面试宝典 关于我

TCP 连接，一端断电和进程崩溃有什么区别？

转
 2023-03-01  阅读(3)
©版权
原文作者：小林 Coding 原文地址：https://xiaolincoding.com/

有位读者找我说，他在面试腾讯的时候，遇到了这么个问题：

202303012304242261.png

这个属于 TCP 异常断开连接 的场景，这部分内容在我的「图解网络」还没有详细介绍过，这次就乘着这次机会补一补。

202303012304251432.png

这个问题有几个关键词：

  • 没有开启 keepalive；
  • 一直没有数据交互；
  • 进程崩溃；
  • 主机崩溃；

我们先来认识认识什么是 TCP keepalive 呢？

这东西其实就是 TCP 的保活机制 ，它的工作原理我之前的文章写过，这里就直接贴下以前的内容。

202303012304258713.png

如果两端的 TCP 连接一直没有数据交互，达到了触发 TCP 保活机制的条件，那么内核里的 TCP 协议栈就会发送探测报文。

  • 如果对端程序是正常工作的。当 TCP 保活的探测报文发送给对端, 对端会正常响应，这样 TCP 保活时间会被重置 ，等待下一个 TCP 保活时间的到来。
  • 如果对端主机崩溃，或对端由于其他原因导致报文不可达。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后，石沉大海，没有响应，连续几次，达到保活探测次数后， TCP 会报告该 TCP 连接已经死亡 。

所以，TCP 保活机制可以在双方没有数据交互的情况，通过探测报文，来确定对方的 TCP 连接是否存活。

202303012304273554.png

注意，应用程序若想使用 TCP 保活机制需要通过 socket 接口设置 SO_KEEPALIVE 选项才能够生效，如果没有设置，那么就无法使用 TCP 保活机制。

# 主机崩溃

知道了 TCP keepalive 作用，我们再回过头看题目中的「主机崩溃」这种情况。

在没有开启 TCP keepalive，且双方一直没有数据交互的情况下，如果客户端的「主机崩溃」了，会发生什么。

客户端主机崩溃了，服务端是 无法感知到的 ，在加上服务端没有开启 TCP keepalive，又没有数据交互的情况下， 服务端的 TCP 连接将会一直处于 ESTABLISHED 连接状态 ，直到服务端重启进程。

所以，我们可以得知一个点，在没有使用 TCP 保活机制且双方不传输数据的情况下，一方的 TCP 连接处在 ESTABLISHED 状态，并不代表另一方的连接还一定正常。

# 进程崩溃

那题目中的「进程崩溃」的情况呢？

TCP 的连接信息是由内核维护的，所以当服务端的进程崩溃后，内核需要回收该进程的所有 TCP 连接资源，于是内核会发送第一次挥手 FIN 报文，后续的挥手过程也都是在内核完成，并不需要进程的参与，所以即使服务端的进程退出了，还是能与客户端完成 TCP四次挥手的过程。

我自己做了实验，使用 kill -9 来模拟进程崩溃的情况，发现 在 kill 掉进程后，服务端会发送 FIN 报文，与客户端进行四次挥手 。

所以，即使没有开启 TCP keepalive，且双方也没有数据交互的情况下，如果其中一方的进程发生了崩溃，这个过程操作系统是可以感知的到的，于是就会发送 FIN 报文给对方，然后与对方进行 TCP 四次挥手。

202303012304279515.png

# 有数据传输的场景

以上就是对这个面试题的回答，接下来我们看看在「 有数据传输 」的场景下的一些异常情况：

  • 第一种，客户端主机宕机，又迅速重启，会发生什么？
  • 第二种，客户端主机宕机，一直没有重启，会发生什么？

# 客户端主机宕机，又迅速重启

在客户端主机宕机后，服务端向客户端发送的报文会得不到任何的响应，在一定时长后，服务端就会触发 超时重传 机制，重传未得到响应的报文。

服务端重传报文的过程中，客户端主机重启完成后，客户端的内核就会接收重传的报文，然后根据报文的信息传递给对应的进程：

  • 如果客户端主机上 没有 进程绑定该 TCP 报文的目标端口号，那么客户端内核就会 回复 RST 报文，重置该 TCP 连接 ；
  • 如果客户端主机上 有 进程绑定该 TCP 报文的目标端口号，由于客户端主机重启后，之前的 TCP 连接的数据结构已经丢失了，客户端内核里协议栈会发现找不到该 TCP 连接的 socket 结构体，于是就会 回复 RST 报文，重置该 TCP 连接 。

所以， 只要有一方重启完成后，收到之前 TCP 连接的报文，都会回复 RST 报文，以断开连接 。

# 客户端主机宕机，一直没有重启

这种情况，服务端超时重传报文的次数达到一定阈值后，内核就会判定出该 TCP 有问题，然后通过 Socket 接口告诉应用程序该 TCP 连接出问题了，于是服务端的 TCP 连接就会断开。

202303012304286906.png

那 TCP 的数据报文具体重传几次呢？

在 Linux 系统中，提供一个叫 tcp_retries2 配置项，默认值是 15，如下图：

202303012304293867.png

这个内核参数是控制，在 TCP 连接建立的情况下，超时重传的最大次数。

不过 tcp_retries2 设置了 15 次，并不代表 TCP 超时重传了 15 次才会通知应用程序终止该 TCP 连接， 内核会根据 tcp_retries2 设置的值，计算出一个 timeout （如果 tcp_retries2 =15，那么计算得到的 timeout = 924600 ms）， 如果重传间隔超过这个 timeout，则认为超过了阈值，就会停止重传，然后就会断开 TCP 连接 。

在发生超时重传的过程中，每一轮的超时时间（RTO）都是 倍数增长 的，比如如果第一轮 RTO 是 200 毫秒，那么第二轮 RTO 是 400 毫秒，第三轮 RTO 是 800 毫秒，以此类推。

而 RTO 是基于 RTT（一个包的往返时间） 来计算的，如果 RTT 较大，那么计算出来的 RTO 就越大，那么经过几轮重传后，很快就达到了上面的 timeout 值了。

举个例子，如果 tcp_retries2 =15，那么计算得到的 timeout = 924600 ms，如果重传总间隔时长达到了 timeout 就会停止重传，然后就会断开 TCP 连接：

  • 如果 RTT 比较小，那么 RTO 初始值就约等于下限 200ms，也就是第一轮的超时时间是 200 毫秒，由于 timeout 总时长是 924600 ms，表现出来的现象刚好就是重传了 15 次，超过了 timeout 值，从而断开 TCP 连接
  • 如果 RTT 比较大，假设 RTO 初始值计算得到的是 1000 ms，也就是第一轮的超时时间是 1 秒，那么根本不需要重传 15 次，重传总间隔就会超过 924600 ms。

最小 RTO 和最大 RTO 是在 Linux 内核中定义好了：

    #define TCP_RTO_MAX ((unsigned)(120*HZ))
    #define TCP_RTO_MIN ((unsigned)(HZ/5))

Linux 2.6+ 使用 1000 毫秒的 HZ，因此TCP_RTO_MIN约为 200 毫秒，TCP_RTO_MAX约为 120 秒。

如果tcp_retries设置为15，且 RTT 比较小，那么 RTO 初始值就约等于下限 200ms，这意味着 它需要 924.6 秒 才能将断开的 TCP 连接通知给上层（即应用程序），每一轮的 RTO 增长关系如下表格：

202303012304297928.png

# 总结

如果「 客户端进程崩溃 」，客户端的进程在发生崩溃的时候，内核会发送 FIN 报文，与服务端进行四次挥手。

但是，「 客户端主机宕机 」，那么是不会发生四次挥手的，具体后续会发生什么？还要看服务端会不会发送数据？

  • 如果服务端会发送数据，由于客户端已经不存在，收不到数据报文的响应报文，服务端的数据报文会超时重传，当重传总间隔时长达到一定阈值（内核会根据 tcp_retries2 设置的值计算出一个阈值）后，会断开 TCP 连接；

  • 如果服务端一直不会发送数据，再看服务端有没有开启 TCP keepalive 机制？

    • 如果有开启，服务端在一段时间没有进行数据交互时，会触发 TCP keepalive 机制，探测对方是否存在，如果探测到对方已经消亡，则会断开自身的 TCP 连接；
    • 如果没有开启，服务端的 TCP 连接会一直存在，并且一直保持在 ESTABLISHED 状态。

最后说句，TCP 牛逼，啥异常都考虑到了。

Java 面试宝典是大明哥全力打造的 Java 精品面试题，它是一份靠谱、强大、详细、经典的 Java 后端面试宝典。它不仅仅只是一道道面试题，而是一套完整的 Java 知识体系，一套你 Java 知识点的扫盲贴。

它的内容包括：

  • 大厂真题：Java 面试宝典里面的题目都是最近几年的高频的大厂面试真题。
  • 原创内容：Java 面试宝典内容全部都是大明哥原创，内容全面且通俗易懂，回答部分可以直接作为面试回答内容。
  • 持续更新：一次购买，永久有效。大明哥会持续更新 3+ 年，累计更新 1000+，宝典会不断迭代更新，保证最新、最全面。
  • 覆盖全面：本宝典累计更新 1000+，从 Java 入门到 Java 架构的高频面试题，实现 360° 全覆盖。
  • 不止面试：内容包含面试题解析、内容详解、知识扩展，它不仅仅只是一份面试题，更是一套完整的 Java 知识体系。
  • 宝典详情：https://www.yuque.com/chenssy/sike-java/xvlo920axlp7sf4k
  • 宝典总览：https://www.yuque.com/chenssy/sike-java/yogsehzntzgp4ly1
  • 宝典进展：https://www.yuque.com/chenssy/sike-java/en9ned7loo47z5aw

目前 Java 面试宝典累计更新 400+ 道，总字数 42w+。大明哥还在持续更新中，下图是大明哥在 2024-12 月份的更新情况：

想了解详情的小伙伴，扫描下面二维码加大明哥微信【daming091】咨询

同时，大明哥也整理一套目前市面最常见的热点面试题。微信搜[大明哥聊 Java]或扫描下方二维码关注大明哥的原创公众号[大明哥聊 Java] ，回复【面试题】 即可免费领取。

阅读全文
文章标签： 计算机网络