# 4.13 拔掉网线后, 原本的 TCP 连接还存在吗?

大家好,我是小林。

今天,聊一个有趣的问题:拔掉网线几秒,再插回去,原本的 TCP 连接还存在吗?

可能有的同学会说,网线都被拔掉了,那说明物理层被断开了,那在上层的传输层理应也会断开,所以原本的 TCP 连接就不会存在的了。就好像, 我们拨打有线电话的时候,如果某一方的电话线被拔了,那么本次通话就彻底断了。

真的是这样吗?

上面这个逻辑就有问题。问题在于,错误的认为拔掉网线这个动作会影响传输层,事实上并不会影响。

实际上,TCP 连接在 Linux 内核中是一个名为 struct socket 的结构体,该结构体的内容包含 TCP 连接的状态等信息。当拔掉网线的时候,操作系统并不会变更该结构体的任何内容,所以 TCP 连接的状态也不会发生改变。

我在我的电脑上做了个小实验,我用 ssh 终端连接了我的云服务器,然后我通过断开 wifi 的方式来模拟拔掉网线的场景,此时查看 TCP 连接的状态没有发生变化,还是处于 ESTABLISHED 状态。

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通过上面这个实验结果,我们知道了,拔掉网线这个动作并不会影响 TCP 连接的状态。

接下来,要看拔掉网线后,双方做了什么动作。

所以, 针对这个问题,要分场景来讨论:

  • 拔掉网线后,有数据传输;
  • 拔掉网线后,没有数据传输;

# 拔掉网线后,有数据传输

在客户端拔掉网线后,服务端向客户端发送的数据报文会得不到任何的响应,在等待一定时长后,服务端就会触发超时重传机制,重传未得到响应的数据报文。

如果在服务端重传报文的过程中,客户端刚好把网线插回去了,由于拔掉网线并不会改变客户端的 TCP 连接状态,并且还是处于 ESTABLISHED 状态,所以这时客户端是可以正常接收服务端发来的数据报文的,然后客户端就会回 ACK 响应报文。

此时,客户端和服务端的 TCP 连接依然存在的,就感觉什么事情都没有发生。

但是,如果如果在服务端重传报文的过程中,客户端一直没有将网线插回去,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。

而等客户端插回网线后,如果客户端向服务端发送了数据,由于服务端已经没有与客户端相同四元祖的 TCP 连接了,因此服务端内核就会回复 RST 报文,客户端收到后就会释放该 TCP 连接。

此时,客户端和服务端的 TCP 连接都已经断开了。

那 TCP 的数据报文具体重传几次呢?

在 Linux 系统中,提供了一个叫 tcp_retries2 配置项,默认值是 15,如下图:

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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:

# 拔掉网线后,没有数据传输

针对拔掉网线后,没有数据传输的场景,还得看是否开启了 TCP keepalive 机制 (TCP 保活机制)。

如果没有开启 TCP keepalive 机制,在客户端拔掉网线后,并且双方都没有进行数据传输,那么客户端和服务端的 TCP 连接将会一直保持存在。

而如果开启了 TCP keepalive 机制,在客户端拔掉网线后,即使双方都没有进行数据传输,在持续一段时间后,TCP 就会发送探测报文:

  • 如果对端是正常工作的。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。

TCP keepalive 机制具体是怎么样的?

这个机制的原理是这样的:

定义一个时间段,在这个时间段内,如果没有任何连接相关的活动,TCP 保活机制会开始作用,每隔一个时间间隔,发送一个探测报文,该探测报文包含的数据非常少,如果连续几个探测报文都没有得到响应,则认为当前的 TCP 连接已经死亡,系统内核将错误信息通知给上层应用程序。

在 Linux 内核可以有对应的参数可以设置保活时间、保活探测的次数、保活探测的时间间隔,以下都为默认值:

net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75  
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9
  • tcp_keepalive_time=7200:表示保活时间是 7200 秒(2小时),也就 2 小时内如果没有任何连接相关的活动,则会启动保活机制
  • tcp_keepalive_intvl=75:表示每次检测间隔 75 秒;
  • tcp_keepalive_probes=9:表示检测 9 次无响应,认为对方是不可达的,从而中断本次的连接。

也就是说在 Linux 系统中,最少需要经过 2 小时 11 分 15 秒才可以发现一个「死亡」连接。

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。

TCP keepalive 机制探测的时间也太长了吧?

对的,是有点长。

TCP keepalive 是 TCP 层(内核态) 实现的,它是给所有基于 TCP 传输协议的程序一个兜底的方案。

实际上,我们应用层可以自己实现一套探测机制,可以在较短的时间内,探测到对方是否存活。

比如,web 服务软件一般都会提供 keepalive_timeout 参数,用来指定 HTTP 长连接的超时时间。如果设置了 HTTP 长连接的超时时间是 60 秒,web 服务软件就会启动一个定时器,如果客户端在完后一个 HTTP 请求后,在 60 秒内都没有再发起新的请求,定时器的时间一到,就会触发回调函数来释放该连接。

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# 总结

客户端拔掉网线后,并不会直接影响 TCP 连接状态。所以,拔掉网线后,TCP 连接是否还会存在,关键要看拔掉网线之后,有没有进行数据传输。

有数据传输的情况:

  • 在客户端拔掉网线后,如果服务端发送了数据报文,那么在服务端重传次数没有达到最大值之前,客户端就插回了网线,那么双方原本的 TCP 连接还是能正常存在,就好像什么事情都没有发生。
  • 在客户端拔掉网线后,如果服务端发送了数据报文,在客户端插回网线之前,服务端重传次数达到了最大值时,服务端就会断开 TCP 连接。等到客户端插回网线后,向服务端发送了数据,因为服务端已经断开了与客户端相同四元组的 TCP 连接,所以就会回 RST 报文,客户端收到后就会断开 TCP 连接。至此, 双方的 TCP 连接都断开了。

没有数据传输的情况:

  • 如果双方都没有开启 TCP keepalive 机制,那么在客户端拔掉网线后,如果客户端一直不插回网线,那么客户端和服务端的 TCP 连接状态将会一直保持存在。
  • 如果双方都开启了 TCP keepalive 机制,那么在客户端拔掉网线后,如果客户端一直不插回网线,TCP keepalive 机制会探测到对方的 TCP 连接没有存活,于是就会断开 TCP 连接。而如果在 TCP 探测期间,客户端插回了网线,那么双方原本的 TCP 连接还是能正常存在。

除了客户端拔掉网线的场景,还有客户端「主机宕机和进程崩溃 (opens new window)」的两种场景。

第一个场景,客户端宕机这件事跟拔掉网线是一样无法被服务端的感知的,所以如果在没有数据传输,并且没有开启 TCP keepalive 机制时,,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 状态时,并不代表另一方的 TCP 连接还一定是正常的。

第二个场景,客户端的进程崩溃后,客户端的内核就会向服务端发送 FIN 报文,与服务端进行四次挥手

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。

完!


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上次更新: 9/18/2022, 10:51:32 AM