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TCP连接状态的多种判断方法

bigegpt 2024-08-28 12:28 1 浏览

liwen01_2020.01.10

前言

在TCP网络编程模型中，无论是客户端还是服务端，在网络编程的过程中都需要判断连接的对方网络状态是否正常。在linux系统中，有很多种方式可以判断连接的对方网络是否已经断开。

  • 通过错误码和信号判断
  • 通过select系统函数判断
  • 通过TCP_INFO套接字选项判断
  • 通过SO_KEEPALIVE套接字选项判断
  • 通过SO_RCVTIMEO/SO_SNDTIMEO判断

(一)通过错误码和信号判断

(1)写数据信号和错误码判断

在写TCP连接数据的时候，如果对方连接已经正常断开，那么写数据端将会收到一个SIGPIPE信号，可以通过这个信号知道对方连接已经断开。该信号信号会终止当前进程，如果不在对方连接断开不退出进程，那么就应该注册信号函数。

同时，如果对方连接已经正常断开，那么write写数据端将会返回写错误。返回的写长度为-1，此时的错误码为：32,对应错误值为EPIPE;因此可以写数据时write的返回值和错误码来判断对方连接是否已经断开了。

(2)读数据判断返回值

如果当前是默认的阻塞模式读取，那么此时read读取返回的长度为0，错误码也是为0，其实表示读取成功。这里需要注意read 和recv接口的默认返回值是不一样的，使用recv接口也会返回EPIPE错误码。client_tcp.c

/************************************************************
*Copyright (C),lcb0281at163.com lcb0281atgmail.com
*FileName: 01_client_tcp.c
*BlogAddr: caibiao-lee.blog.csdn.net
*Description: TCP 客户端收发数据 
*Date:     2020-01-04
*Author:   Caibiao Lee
*Version:  V1.0
*Others:
    通过read write 函数的返回值和错误码判断对方连接是否已经断开
*History:
***********************************************************/
#include <sys/uio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/tcp.h>

#define SERVER_IP_ADDR        "192.168.1.111"
#define PORT 8888    /* 侦听端口地址 */

void sig_proccess(int signo)
{
    printf("Catch a exit signal\n");
    exit(0);    
}

void sig_pipe(int sign)
{
    printf("Catch a SIGPIPE signal\n");
    
    /* 释放资源 */    
}


void process_conn_client(int s32SocketFd)
{
    int size = 0;
    char buffer[1024] = {0};
    char *sendData = "I am client";
    
    for(;;)
    {
        size = write(s32SocketFd, sendData, strlen(sendData)+1);    
        if(size!=strlen(sendData)+1)
        {
            printf("write data error size=%d errno=%d \n",size,errno);
            //return ;
        }
        
        size = read(s32SocketFd, buffer, 1024);
        if(size<=0)
        {
            printf("read data error size=%d errno=%d \n",size,errno);
            //return ;                
        }else
        {
            printf("recv Data: %s\n",buffer);
        }
        sleep(1);

    }    
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    struct sockaddr_in server_addr;    
    int l_s32SocketFd = 0;

        
    signal(SIGINT, sig_proccess);
    signal(SIGPIPE, sig_pipe);
    
    /* 建立一个流式套接字 */
    l_s32SocketFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(l_s32SocketFd < 0)
    {/* 出错 */
        printf("socket error\n");
        return-1;    
    }    
    
    /* 设置服务器地址 */
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));        /* 清0 */
    server_addr.sin_family = AF_INET;                /* 协议族 */
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP_ADDR);/*服务器IP地址*//* 本地地址 */
    server_addr.sin_port = htons(PORT);                /* 服务器端口 */
    
    /* 连接服务器 */
    connect(l_s32SocketFd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));
    process_conn_client(l_s32SocketFd);    /* 客户端处理过程 */
    
    close(l_s32SocketFd);    /* 关闭连接 */
    
    return0;
}

server_tcp.c

/************************************************************
*Copyright (C),lcb0281at163.com lcb0281atgmail.com
*FileName: 01_server_tcp.c
*BlogAddr: caibiao-lee.blog.csdn.net
*Description: TCP 客户端收发数据 
*Date:     2020-01-04
*Author:   Caibiao Lee
*Version:  V1.0
*Others:
    通过read write 函数的返回值和错误码判断对方连接是否已经断开
*History:
***********************************************************/
#include <sys/uio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/tcp.h>

#define SERVER_IP_ADDR        "192.168.1.111"
#define PORT 8888        /* 侦听端口地址 */
#define BACKLOG 2        /* 侦听队列长度 */

void sig_proccess(int signo)
{
    printf("Catch a exit signal\n");
    exit(0);    
}

void sig_pipe(int sign)
{
    printf("Catch a SIGPIPE signal\n");
    
    /* 释放资源 */    
}

/* 服务器对客户端的处理 */
void process_conn_server(int s32SocketFd)
{
    int size = 0;
    char buffer[1024];    /* 数据的缓冲区 */
    
    for(;;)
    {    
        /* 从套接字中读取数据放到缓冲区buffer中 */
        size = read(s32SocketFd, buffer, 1024);    
        if(size==0)
        {/* 没有数据 */
            printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return;    
        }elseif(size<0)
        {
            printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return ;
        }else 
        {
            printf("recv data:%s \n",buffer);
            
        }
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));    
        /* 构建响应字符，为接收到客户端字节的数量 */
        strcpy(buffer,"I am server");
        size = write(s32SocketFd, buffer, strlen(buffer)+1);/* 发给客户端 */
        if((strlen(buffer)+1)==size)
        {

        }else
        {
            printf("write data error size = %d, errno=%d\n",size,errno);
        //return ;
        }
        sleep(1);
    }    
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int l_s32ServerFd = -1;
    int l_s32ClientrFd = -1;        
    struct sockaddr_in server_addr;/* 服务器地址结构 */
    struct sockaddr_in client_addr;    /* 客户端地址结构 */
    int l_s32Ret = 0;    /* 返回值 */
    pid_t pid;    /* 分叉的进行id */
    
    signal(SIGINT, sig_proccess);
    signal(SIGPIPE, sig_pipe);
    
    
    /* 建立一个流式套接字 */
    l_s32ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(l_s32ServerFd < 0)
    {/* 出错 */
        printf("socket error\n");
        return-1;    
    }    
    
    /* 设置服务器地址 */
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));    /* 清0 */
    server_addr.sin_family = AF_INET;            /* 协议族 */
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP_ADDR);/*服务器IP地址*/
    server_addr.sin_port = htons(PORT);            /* 服务器端口 */
    
    
    /*设置IP地址可以重复绑定*/
    int l_s32UseAddr = 1;
    if(setsockopt(l_s32ServerFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &l_s32UseAddr, sizeof(int)) < 0)
    {
        printf("%s %d\tsetsockopt error! Error code: %d，Error message: %s\n", 
            __FUNCTION__, __LINE__, errno, strerror(errno));
        return-2;
    }

    /* 绑定地址结构到套接字描述符 */
    l_s32Ret = bind(l_s32ServerFd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if(l_s32Ret < 0)
    {/* 出错 */
        printf("bind error\n");
        return-1;    
    }
    
    /* 设置侦听 */
    l_s32Ret = listen(l_s32ServerFd, BACKLOG);
    if(l_s32Ret < 0)
    {/* 出错 */
        printf("listen error\n");
        return-1;    
    }
    
    /* 主循环过程 */
    for(;;)
    {
        int addrlen = sizeof(struct sockaddr);
        /* 接收客户端连接 */
        l_s32ClientrFd = accept(l_s32ServerFd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen);
        if(l_s32ClientrFd < 0)
        {    /* 出错 */
            continue;    /* 结束本次循环 */
        }    
        
        /* 建立一个新的进程处理到来的连接 */
        pid = fork();        /* 分叉进程 */
        if( pid == 0 )
        {        /* 子进程中 */
            close(l_s32ServerFd);        /* 在子进程中关闭服务器的侦听 */
            process_conn_server(l_s32ClientrFd);/* 处理连接 */
        }else
        {
            close(l_s32ClientrFd);        /* 在父进程中关闭客户端的连接 */
        }
    }
}

(二)通过select系统函数判断

select实际是IO复用的一个接口，它可以同时检测多个连接是否有数据可读写操作，并且可以设置检测的超时时间。 在点对点的连接中如果select超时，它返回值为0；

  • 当出现异常的时候，返回-1，如果对方断开可能收到104的错误码，也就是ECONNRESET，表示连接被重置
  • 当select返回1，表示正常，如果read此时返回的值为0，表示对方连接已经断开。
/******************************************************** 
Function:     process_conn_server    
Description: 服务器对客户端的处理
Input:    s32SocketFd ：服务端接收到客户端连接的ID;
OutPut: none
Return: 0: success，none 0:error
Others: 通过select判断客户端的连接状态
Author: Caibiao Lee
Date:    2020-01-04
*********************************************************/
void process_conn_server(int s32SocketFd)
{
    int size = 0;
    int l_s32Ret = 0;
    char buffer[1024];    /* 数据的缓冲区 */
    fd_set l_stReadfd;
    struct timeval l_stTimeout={0};
    
    for(;;)
    {    
        l_stTimeout.tv_sec=0;
        l_stTimeout.tv_usec=10000;
        FD_ZERO(&l_stReadfd);
        FD_SET(s32SocketFd ,&l_stReadfd);
        l_s32Ret = select(s32SocketFd+1, &l_stReadfd,NULL,NULL, &l_stTimeout);
        if (l_s32Ret<=0)
        {
            printf("select error l_s32Ret=%d errno=%d\n",l_s32Ret,errno);
            usleep(100000);
        }
        elseif(FD_ISSET(s32SocketFd,&l_stReadfd))
        {
            printf("l_s32Ret = %d \n",l_s32Ret);
            /* 从套接字中读取数据放到缓冲区buffer中 */
            size = read(s32SocketFd, buffer, 1024);    
            if(size==0)
            {/* 没有数据 */
                printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return;    
            }elseif(size<0)
            {
                printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return ;
            }else 
            {
                printf("recv data:%s \n",buffer);
            }
        }

        memset(buffer,0,sizeof(buffer));    
        /* 构建响应字符，为接收到客户端字节的数量 */
        strcpy(buffer,"I am server");
        size = write(s32SocketFd, buffer, strlen(buffer)+1);/* 发给客户端 */
        if((strlen(buffer)+1)==size)
        {

        }else
        {
            printf("write data error size = %d, errno=%d\n",size,errno);
        //return ;
        }
        sleep(1);
    }    
}

(三)通过TCP_INFO套接字选项判断

通过getsockopt函数可以获取TCP连接的连接状态，当状态为ESTABLISHED的时候表示该连接正常。TCP的其它状态还有：

  • CLOSED：表示初始状态。对服务端和C客户端双方都一样。
  • LISTEN：表示监听状态。服务端调用了listen函数，可以开始accept连接了。
  • SYN_SENT：表示客户端已经发送了SYN报文。当客户端调用connect函数发起连接时，首先发SYN给服务端，然后自己进入SYN_SENT状态，并等待服务端发送ACK+SYN。
  • SYN_RCVD：表示服务端收到客户端发送SYN报文。服务端收到这个报文后，进入SYN_RCVD状态，然后发送ACK+SYN给客户端。
  • ESTABLISHED：表示连接已经建立成功了。服务端发送完ACK+SYN后进入该状态，客户端收到ACK后也进入该状态。
  • FIN_WAIT_1：表示主动关闭连接。无论哪方调用close函数发送FIN报文都会进入这个这个状态。
  • FIN_WAIT_2：表示被动关闭方同意关闭连接。主动关闭连接方收到被动关闭方返回的ACK后，会进入该状态。
  • TIME_WAIT：表示收到对方的FIN报文并发送了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
  • CLOSING：表示双方同时关闭连接。如果双方几乎同时调用close函数，那么会出现双方同时发送FIN报文的情况，此时就会出现CLOSING状态，表示双方都在关闭连接。
  • CLOSE_WAIT：表示被动关闭方等待关闭。当收到对方调用close函数发送的FIN报文时，回应对方ACK报文，此时进入CLOSE_WAIT状态。
  • LAST_ACK：表示被动关闭方发送FIN报文后，等待对方的ACK报文状态，当收到ACK后进入CLOSED状态。 功能代码如下:
/******************************************************** 
Function:     check_tcp_alive    
Description: 通过TCP_INFO查询网络状态
Input:    s32SocketFd ：服务端接收到客户端连接的ID;
OutPut: none
Return: 0: success，none 0:error
Others: 
Author: Caibiao Lee
Date:    2020-01-04
*********************************************************/
int check_tcp_alive(int s32SocketFd)
{
    while(1)
    {
        printf("alive  s32SocketFd = %d \n",s32SocketFd);
        if(s32SocketFd>0)
        {
            struct tcp_info info;
            int len = sizeof(info);

            getsockopt(s32SocketFd, IPPROTO_TCP, TCP_INFO, &info, (socklen_t *)&len);
            
            printf("info.tcpi_state = %d\n",info.tcpi_state);
            if(info.tcpi_state == TCP_ESTABLISHED)
            {
                printf("connect ok \r\n");
                //return 0;
            }
            else
            {
                printf("connect error\r\n");
                //return -1;
            }
        }
        sleep(1);
        printf("\n\n");
    }
}

(四)通过SO_KEEPALIVE套接字选项判断

选项SO_KEEPALIVE用于设置TCP连接的保持，当设置此项后，连接会测试连接的状态。这个选项用于可能长时间没有数据交流的连接，通常在服务器端进行设置。

当设置SO_KEEPALIVE选项后，如果在两个小时内没有数据通信时，TCP会自动发送一个活动探测数据报文，对方必须对此进行响应，通常有如下3种情况。

  1. TCP的连接正常，发送一个ACK响应，这个过程应用层是不知道的。再过两个小时，又会再发送一个。
  2. 对方发送RST响应，对方在2个小时内进行了重启或者崩溃。之前的连接己经失效，套接字收到一个ECONNRESET错误，之前的套接字关闭。
  3. 如果对方没有任何响应，则本机会发送另外8个活动探测报文，时间的间隔为75s,当第一个活动报文发送11分15秒后仍然没有收到对方的任何响应，则放弃探测，套接字错误类型设置为ETIMEOUT，并关闭套接字连接。如果收到一个ICMP控制报文响应，此时套接字也关闭，这种情况通常收到的是一个主机不可达的ICMP报文，此时套接字错误类型设置为EHOSTUNREACH,并关闭套接字连接。 SO_KEEPALIVE的使用场景主要是在可能发送长时间无数据响应的TCP连接，例如Telnet会话，经常会出现打开一个telnet客户端后，长时间不用的情况，这需要服务器或 者客户端有一个探测机制知道对方是否仍然活动。根据探测结果服务器会释放己经失效的客户端，保证服务器资源的有效性，例如有的telnet客户端没有按照正常步骤进行关闭。

网上有不少资料介绍不推荐使用SO_KEEPALIVE来判断网络连接是否断开，具体原因没有去追踪，这里不再介绍它的使用。

(五)通过SO_RCVTIMEO/SO_SNDTIMEO判断

这个是通过套接字的SO_RCVTIMEO、SO_SNDTIMEO来设置收发数据超时。对于前面的前面的几种判断方式，都是基于对方正常网络断开后，主机才能够正常的判断到网络状态。如果连接的某一方突然断电，主机并不能知道对方设备突然断电，通过TCP_INFO查询到的也是网络正常，但实际情况是这是网络连接已经断开了。

这时，可以使用收发数据超时来判断： 如果设置的时间没有收到数据，read时会返回-1，同时有错误码EAGAIN产生，这时是可以判断出对连接已经断开了。 这种方式的确定就是，如果设定的一段时间没有收发数据，就会被判断为超时断开连接。

/******************************************************** 
Function:     process_conn_server    
Description: 通过设置收发操作判断对方连接已经断开了
Input:    s32SocketFd ：服务端接收到客户端连接的ID;
OutPut: none
Return: 0: success，none 0:error
Others: 
Author: Caibiao Lee
Date:    2020-01-04
*********************************************************/
void process_conn_server(int s32SocketFd)
{
    int size = 0;
    char buffer[1024];    /* 数据的缓冲区 */
    int optlen = -1;    /* 整型的选项类型值 */
    int l_s32Ret = 0;

    /* 设置发送和接收超时时间 */
    struct timeval tv;
    tv.tv_sec = 10;    /* 1秒 */
    tv.tv_usec = 200000;/* 200ms */
    optlen = sizeof(tv);
    l_s32Ret = setsockopt(s32SocketFd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, optlen); /* 设置接收超时时间 */
    if(l_s32Ret == -1){/* 设置接收超时时间失败 */
        printf("设置接收超时时间失败\n");            
    }
    
    l_s32Ret = setsockopt(s32SocketFd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &tv, optlen);/* 设置发送超时时间 */
    if(l_s32Ret == -1){
        printf("设置发送超时时间失败\n");            
    }
    
    for(;;)
    {    
        /* 从套接字中读取数据放到缓冲区buffer中 */
        size = read(s32SocketFd, buffer, 1024);    
        if(size==0)
        {/* 没有数据 */
            printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return;    
        }elseif(size<0)
        {
            printf("read size = %d, error %d \n",size,errno);
            //return ;
        }else 
        {
            printf("recv data:%s \n",buffer);
            
        }
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));    
        /* 构建响应字符，为接收到客户端字节的数量 */
        strcpy(buffer,"I am server");
        size = write(s32SocketFd, buffer, strlen(buffer)+1);/* 发给客户端 */
        if((strlen(buffer)+1)==size)
        {

        }else
        {
            printf("write data error size = %d, errno=%d\n",size,errno);
        //return ;
        }
        sleep(1);
    }    
}

(六)自定义通信心跳判断

在一些比较重要的命令收发链接中，一般是客户端和服务端会建立心跳机制，心跳时间间隔根据不同的业务需求而不同。当约定的时间段内没有收到心跳数据包，就可以判断对方是否已经断开了连接。

这种方式非常简单，对于嵌入式设备而言，主要的缺点是心跳会耗费流量，同时会增加一点点系统负载，并且不适合并发连接的情况。

以上就是现在比较常用的判断网络连接的方法。 如有错误，欢迎指出！

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