计算机网络探究（三） TCP和HTTP的keepAlive
2017-01-24 18:14
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Chapter: 关于HTTP Keep-Alive
1. HTTP
Keep-Alive是什么？如何工作？
2. 了解HTTP
Keep-Alive的基本情况
3. Apache中Keep-Alive配置建议
4. HTTP协议中的长连接与短连接
5. TCP
keepalive概述
6. TCP协议的KeepAlive机制与HeartBeat心跳包
在http早期，每个http请求都要求打开一个tpc socket连接，并且使用一次之后就断开这个tcp连接。
使用keep-alive可以改善这种状态，即在一次TCP连接中可以持续发送多份数据而不会断开连接。通过使用keep-alive机制，可以减少tcp连接建立次数，也意味着可以减少TIME_WAIT状态连接，以此提高性能和提高httpd服务器的吞吐率(更少的tcp连接意味着更少的系统内核调用,socket的accept()和close()调用)。
但是，keep-alive并不是免费的午餐,长时间的tcp连接容易导致系统资源无效占用。配置不当的keep-alive，有时比重复利用连接带来的损失还更大。所以，正确地设置keep-alive
timeout时间非常重要。
Httpd守护进程，一般都提供了keep-alive timeout时间设置参数。比如nginx的keepalive_timeout，和Apache的KeepAliveTimeout。这个keepalive_timout时间值意味着：一个http产生的tcp连接在传送完最后一个响应后，还需要hold住keepalive_timeout秒后，才开始关闭这个连接。
当httpd守护进程发送完一个响应后，理应马上主动关闭相应的tcp连接，设置 keepalive_timeout后，httpd守护进程会想说：”再等等吧，看看浏览器还有没有请求过来”，这一等，便是keepalive_timeout时间。如果守护进程在这个等待的时间里，一直没有收到浏览发过来http请求，则关闭这个http连接。
下面写一个脚本，方便测试：
1. 当keepalive_timeout时间为0时，即不启用Keep-Alive时，一个tcp连接的生命周期：
第1~3行建立tcp三次握手，建立连接。用时8898μs
第4~5行通过建立的连接发送第一个http请求，服务端确认收到请求。用时5μs
第5~6行，可以知道脚本执行用时60s1387μs,与php脚本相符。
第6、8行服务端发送http响应。发送响应用时90166μs。
第7行，表明由服务端守护进程主动关闭连接。结合第6、8行，说明http响应一旦发送完毕，服务端马上关闭这个tcp连接
第7、9、10说明tcp连接顺序关闭,用时90963μs。需要注意,这里socket资源并没有立即释放，需要等待2MSL时间（60s）后才被真正释放。
由此可见，在没有设置 keepalive_timeout 情况下，一个socket资源从建立到真正释放需要经过的时间是:建立tcp连接 + 传送http请求 + PHP脚本执行
+ 传送http响应 + 关闭tcp连接 + 2MSL 。(注:这里的时间只能做参考，具体的时间主要由网络带宽，和响应大小而定)
2. 当keepalive_timeout时间大于0时，即启用Keep-Alive时，一个tcp连接的生命周期。为了便于分析，我们将keepalive_timeout设置为300s
我们先看一下，第6~8行，跟上次示例不一样的是，服务端httpd守护进程发完响应后，没有立即主动关闭tcp连接。
第8行，结合第6行，我们可以看到，5分钟(300s)后，服务端主动关闭这个tcp连接。这个时间，正是我们设置的keepalive_timeout的时间。
由此可见，设置了keepalive_timout时间情况下，一个socket建立到释放需要的时间是多了keepalive_timeout时间。
3. 当keepalive_timeout时间大于0，并且在同一个tcp连接发送多个http响应。这里为了便于分析，我们将keepalive_timeout设置为180s
通过这个测试，我们想弄清楚,keepalive_timeout是从第一个响应结束开启计时，还是最后一个响应结束开启计时。测试结果证实是后者，这里，我们每隔120s发一次请求，通过一个tcp连接发送了3个请求。
第一组，三个ip包表示tcp三次握手建立连接，由浏览器建立。
第二组，发送第一次http请求并且得到响应，服务端守护进程输出响应之后，并没马上主动关闭tcp连接。而是启动keepalive_timout计时。
第三组，2分钟后，发送第二次http请求并且得到响应，同样服务端守护进程也没有马上主动关闭tcp连接，重新启动keepalive_timout计时。
第四组，又2分钟后，发送了第三次http请求并且得到响应。服务器守护进程依然没有主动关地闭tcp连接（距第一次http响应有4分钟了,大于keepalive_timeout值），而是重新启动了keepalive_timout计时。
第五组，跟最后一个响应keepalive_timeout(180s)内，守护进程再没有收到请求。计时结束，服务端守护进程主动关闭连接。4次挥手后，服务端进入TIME_WAIT状态。
这说明，当设定了keepalive_timeout，一个socket由建立到释放，需要时间是：tcp建立 + (最后一个响应时间 – 第一个请求时间) + tcp关闭 + 2MSL。红色加粗表示每一次请求发送时间、每一次请求脚本执行时间、每一次响应发送时间，还有两两请求相隔时间。进一步测试，正在关闭或者TIME_WAIT状态的tcp连接，不能传输http请求和响应。即，当一个连接结束keepalive_timeout计时，服务端守护进程发送第一个FIN标志ip包后，该连接不能再使用了。
http keep-alive与tcp keep-alive，不是同一回事，意图不一样。http keep-alive是为了让tcp活得更久一点，以便在同一个连接上传送多个http，提高socket的效率。而tcp keep-alive是TCP的一种检测TCP连接状况的保鲜机制。tcp
keep-alive保鲜定时器，支持三个系统内核配置参数：
keepalive是TCP保鲜定时器，当网络两端建立了TCP连接之后，闲置idle（双方没有任何数据流发送往来）了tcp_keepalive_time后，服务器内核就会尝试向客户端发送侦测包，来判断TCP连接状况(有可能客户端崩溃、强制关闭了应用、主机不可达等等)。如果没有收到对方的回答(ack包)，则会在 tcp_keepalive_intvl后再次尝试发送侦测包，直到收到对对方的ack,如果一直没有收到对方的ack,一共会尝试 tcp_keepalive_probes次，每次的间隔时间在这里分别是15s,
30s, 45s, 60s, 75s。如果尝试tcp_keepalive_probes,依然没有收到对方的ack包，则会丢弃该TCP连接。TCP连接默认闲置时间是2小时，一般设置为30分钟足够了。
也就是说，仅当nginx的keepalive_timeout值设置高于tcp_keepalive_time，并且距此tcp连接传输的最后一个http响应，经过了tcp_keepalive_time时间之后，操作系统才会发送侦测包来决定是否要丢弃这个TCP连接。一般不会出现这种情况，除非你需要这样做。
使用http keep-alvie，可以减少服务端TIME_WAIT数量(因为由服务端httpd守护进程主动关闭连接)。道理很简单，相较而言，启用keep-alive，建立的tcp连接更少了，自然要被关闭的tcp连接也相应更少了。
我想用一张示意图片来说明使用启用keepalive的不同。另外，http keepalive是客户端浏览器与服务端httpd守护进程协作的结果，所以，我们另外安排篇幅介绍不同浏览器的各种情况对keepalive的利用。
Chapter: 关于HTTP Keep-Alive
1. HTTP
Keep-Alive是什么？如何工作？
2. 了解HTTP
Keep-Alive的基本情况
3. Apache中Keep-Alive配置建议
4. HTTP协议中的长连接与短连接
5. TCP
keepalive概述
6. TCP协议的KeepAlive机制与HeartBeat心跳包
HTTP Keep-Alive
在http早期，每个http请求都要求打开一个tpc socket连接，并且使用一次之后就断开这个tcp连接。使用keep-alive可以改善这种状态，即在一次TCP连接中可以持续发送多份数据而不会断开连接。通过使用keep-alive机制，可以减少tcp连接建立次数，也意味着可以减少TIME_WAIT状态连接，以此提高性能和提高httpd服务器的吞吐率(更少的tcp连接意味着更少的系统内核调用,socket的accept()和close()调用)。
但是，keep-alive并不是免费的午餐,长时间的tcp连接容易导致系统资源无效占用。配置不当的keep-alive，有时比重复利用连接带来的损失还更大。所以，正确地设置keep-alive
timeout时间非常重要。
keepalvie timeout
Httpd守护进程，一般都提供了keep-alive timeout时间设置参数。比如nginx的keepalive_timeout，和Apache的KeepAliveTimeout。这个keepalive_timout时间值意味着：一个http产生的tcp连接在传送完最后一个响应后，还需要hold住keepalive_timeout秒后，才开始关闭这个连接。当httpd守护进程发送完一个响应后，理应马上主动关闭相应的tcp连接，设置 keepalive_timeout后，httpd守护进程会想说：”再等等吧，看看浏览器还有没有请求过来”，这一等，便是keepalive_timeout时间。如果守护进程在这个等待的时间里，一直没有收到浏览发过来http请求，则关闭这个http连接。
下面写一个脚本，方便测试：
1 | sleep(60); //为了便于分析测试，会根据测试进行调整 |
2 | echo "www.example.com" ; |
01 | #tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80 |
02 | 20:36:50.792731 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: S 1520902589:1520902589(0) win 65535 |
03 | 20:36:50.792798 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: S 290378256:290378256(0) ack 1520902590 win 5840 |
04 | 20:36:50.801629 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768 |
05 |
06 | 20:36:50.801838 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768 |
07 | 20:36:50.801843 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: . ack 797 win 59 |
08 |
09 | 20:37:50.803230 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: P 1:287(286) ack 797 win 59 |
10 | 20:37:50.803289 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: F 287:287(0) ack 797 win 59 |
11 | 20:37:50.893396 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: . ack 288 win 32625 |
12 | 20:37:50.894249 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: F 797:797(0) ack 288 win 32625 |
13 | 20:37:50.894252 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: . ack 798 win 59 |
第4~5行通过建立的连接发送第一个http请求，服务端确认收到请求。用时5μs
第5~6行，可以知道脚本执行用时60s1387μs,与php脚本相符。
第6、8行服务端发送http响应。发送响应用时90166μs。
第7行，表明由服务端守护进程主动关闭连接。结合第6、8行，说明http响应一旦发送完毕，服务端马上关闭这个tcp连接
第7、9、10说明tcp连接顺序关闭,用时90963μs。需要注意,这里socket资源并没有立即释放，需要等待2MSL时间（60s）后才被真正释放。
由此可见，在没有设置 keepalive_timeout 情况下，一个socket资源从建立到真正释放需要经过的时间是:建立tcp连接 + 传送http请求 + PHP脚本执行
+ 传送http响应 + 关闭tcp连接 + 2MSL 。(注:这里的时间只能做参考，具体的时间主要由网络带宽，和响应大小而定)
2. 当keepalive_timeout时间大于0时，即启用Keep-Alive时，一个tcp连接的生命周期。为了便于分析，我们将keepalive_timeout设置为300s
01 | #tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80 |
02 | 21:38:05.471129 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: S 1669618600:1669618600(0) win 65535 |
03 | 21:38:05.471140 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: S 4166993862:4166993862(0) ack 1669618601 win 5840 |
04 | 21:38:05.481731 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768 |
05 | 21:38:05.481976 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768 |
06 | 21:38:05.481985 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: . ack 797 win 59 |
07 |
08 | 21:38:07.483626 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: P 1:326(325) ack 797 win 59 |
09 | 21:38:07.747614 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 326 win 32605 |
10 | 21:43:07.448454 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: F 326:326(0) ack 797 win 59 |
11 | 21:43:07.560316 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 327 win 32605 |
12 | 21:43:11.759102 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: F 797:797(0) ack 327 win 32605 |
13 | 21:43:11.759111 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: . ack 798 win 59 |
第8行，结合第6行，我们可以看到，5分钟(300s)后，服务端主动关闭这个tcp连接。这个时间，正是我们设置的keepalive_timeout的时间。
由此可见，设置了keepalive_timout时间情况下，一个socket建立到释放需要的时间是多了keepalive_timeout时间。
3. 当keepalive_timeout时间大于0，并且在同一个tcp连接发送多个http响应。这里为了便于分析，我们将keepalive_timeout设置为180s
通过这个测试，我们想弄清楚,keepalive_timeout是从第一个响应结束开启计时，还是最后一个响应结束开启计时。测试结果证实是后者，这里，我们每隔120s发一次请求，通过一个tcp连接发送了3个请求。
01 | # tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80 |
02 | 22:43:57.102448 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: S 4009392741:4009392741(0) win 65535 |
03 | 22:43:57.102527 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: S 4036426778:4036426778(0) ack 4009392742 win 5840 |
04 | 22:43:57.111337 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768 |
05 |
06 | 22:43:57.111522 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768 |
07 | 22:43:57.111530 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 797 win 59 |
08 | 22:43:59.114663 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 1:326(325) ack 797 win 59 |
09 | 22:43:59.350143 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 326 win 32605 |
10 |
11 | 22:45:59.226102 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 1593:2389(796) ack 650 win 32443 |
12 | 22:45:59.226109 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 2389 win 83 |
13 | 22:46:01.227187 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 650:974(324) ack 2389 win 83 |
14 | 22:46:01.450364 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 974 win 32281 |
15 |
16 | 22:47:57.377707 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 3185:3981(796) ack 1298 win 32119 |
17 | 22:47:57.377714 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 3981 win 108 |
18 | 22:47:59.379496 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 1298:1622(324) ack 3981 win 108 |
19 | 22:47:59.628964 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1622 win 32768 |
20 |
21 | 22:50:59.358537 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: F 1622:1622(0) ack 3981 win 108 |
22 | 22:50:59.367911 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1623 win 32768 |
23 | 22:50:59.686527 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: F 3981:3981(0) ack 1623 win 32768 |
24 | 22:50:59.686531 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 3982 win 108 |
第二组，发送第一次http请求并且得到响应，服务端守护进程输出响应之后，并没马上主动关闭tcp连接。而是启动keepalive_timout计时。
第三组，2分钟后，发送第二次http请求并且得到响应，同样服务端守护进程也没有马上主动关闭tcp连接，重新启动keepalive_timout计时。
第四组，又2分钟后，发送了第三次http请求并且得到响应。服务器守护进程依然没有主动关地闭tcp连接（距第一次http响应有4分钟了,大于keepalive_timeout值），而是重新启动了keepalive_timout计时。
第五组，跟最后一个响应keepalive_timeout(180s)内，守护进程再没有收到请求。计时结束，服务端守护进程主动关闭连接。4次挥手后，服务端进入TIME_WAIT状态。
这说明，当设定了keepalive_timeout，一个socket由建立到释放，需要时间是：tcp建立 + (最后一个响应时间 – 第一个请求时间) + tcp关闭 + 2MSL。红色加粗表示每一次请求发送时间、每一次请求脚本执行时间、每一次响应发送时间，还有两两请求相隔时间。进一步测试，正在关闭或者TIME_WAIT状态的tcp连接，不能传输http请求和响应。即，当一个连接结束keepalive_timeout计时，服务端守护进程发送第一个FIN标志ip包后，该连接不能再使用了。
http keep-alive与tcp keep-alive
http keep-alive与tcp keep-alive，不是同一回事，意图不一样。http keep-alive是为了让tcp活得更久一点，以便在同一个连接上传送多个http，提高socket的效率。而tcp keep-alive是TCP的一种检测TCP连接状况的保鲜机制。tcpkeep-alive保鲜定时器，支持三个系统内核配置参数：
1 | echo 1800 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time |
2 | echo 15 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl |
3 | echo 5 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes |
30s, 45s, 60s, 75s。如果尝试tcp_keepalive_probes,依然没有收到对方的ack包，则会丢弃该TCP连接。TCP连接默认闲置时间是2小时，一般设置为30分钟足够了。
也就是说，仅当nginx的keepalive_timeout值设置高于tcp_keepalive_time，并且距此tcp连接传输的最后一个http响应，经过了tcp_keepalive_time时间之后，操作系统才会发送侦测包来决定是否要丢弃这个TCP连接。一般不会出现这种情况，除非你需要这样做。
keep-alive与TIME_WAIT
使用http keep-alvie，可以减少服务端TIME_WAIT数量(因为由服务端httpd守护进程主动关闭连接)。道理很简单，相较而言，启用keep-alive，建立的tcp连接更少了，自然要被关闭的tcp连接也相应更少了。
最后
我想用一张示意图片来说明使用启用keepalive的不同。另外，http keepalive是客户端浏览器与服务端httpd守护进程协作的结果，所以，我们另外安排篇幅介绍不同浏览器的各种情况对keepalive的利用。
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