字节一面：服务端挂了，客户端的 TCP 连接还在吗？

Posted 2022-09-16 程序员小灰

收到一位读者的私信，说字节面试有这么一个问题：服务端挂了，客户端的 TCP 连接会发生什么？

如果「服务端挂掉」指的是「服务端进程崩溃」，那么这个读者猜的想法是对的，服务端的进程在发生崩溃的时候，内核会发送 FIN 报文，与客户端进行四次挥手。

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

• 如果客户端会发送数据，由于服务端已经不存在，客户端的数据报文会超时重传，当重传次数达到一定阈值后，会断开 TCP 连接；

• 如果客户端一直不会发送数据，再看客户端有没有开启 TCP keepalive 机制？

  • 如果有开启，客户端在一段时间后，检测到服务端的 TCP 连接已经不存在，则会断开自身的 TCP 连接；

  • 如果没有开启，客户端的 TCP 连接会一直存在，并不会断开。

上面属于精简回答了，下面我们详细聊聊。

服务端进程崩溃，客户端会发生什么？

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。

我自己也做了实验，使用 kill -9 命令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。

服务端主机宕机后，客户端会发生什么？

当服务端的主机突然断电了，这种情况就是属于服务端主机宕机了。

当服务端的主机发生了宕机，是没办法和客户端进行四次挥手的，所以在服务端主机发生宕机的那一时刻，客户端是没办法立刻感知到服务端主机宕机了，只能在后续的数据交互中来感知服务端的连接已经不存在了。

因此，我们要分两种情况来讨论：

• 服务端主机宕机后，客户端会发送数据；

• 服务端主机宕机后，客户端一直不会发送数据；

服务端主机宕机后，如果客户端会发送数据

在服务端主机宕机后，客户端发送了数据报文，由于得不到响应，在等待一定时长后，客户端就会触发超时重传机制，重传未得到响应的数据报文。

当重传次数达到达到一定阈值后，内核就会判定出该 TCP 连接有问题，然后通过 Socket 接口告诉应用程序该 TCP 连接出问题了，于是客户端的 TCP 连接就会断开。

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：

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：

服务端主机宕机后，如果客户端一直不发数据

在服务端主机发送宕机后，如果客户端一直不发送数据，那么还得看是否开启了 TCP keepalive 机制 （TCP 保活机制）。

如果没有开启 TCP keepalive 机制，在服务端主机发送宕机后，如果客户端一直不发送数据，那么客户端的 TCP 连接将一直保持存在，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。

而如果开启了 TCP keepalive 机制，在服务端主机发送宕机后，即使客户端一直不发送数据，在持续一段时间后，TCP 就会发送探测报文，探测服务端是否存活：

• 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 keepalive 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？

TCP keepalive 机制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

每个参数的意思，具体如下：

• 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，应用程序如果想使用 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。

总结

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

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

• 如果客户端会发送数据，由于服务端已经不存在，客户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；

• 如果客户端一直不会发送数据，再看客户端有没有开启 TCP keepalive 机制？

  • 如果有开启，客户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，客户端的 TCP 连接会一直存在，并且一直保持在 ESTABLISHED 状态。

还有另外一个很有意思的问题：拔掉网线几秒，再插回去，原本的 TCP 连接还存在吗？

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