【IPC通信--socket套接字--心跳包】

Socket 心跳包 提高网络通信稳定性

随着网络通信技术的不断发展，网络通信已成为我们日常工作和生活中不可或缺的一部分。但是在使用网络通信的过程中，时常会遇到网络延迟、丢包等问题，这些问题不仅影响我们的工作和生活效率，也会给我们的网络带来一定的风险和安全隐患。为了解决这些问题，Socket 心跳包成为了一种有效的方法，可以提高网络通信的稳定性，从而提升我们的工作效率，减少风险和安全隐患。

一、What is Socket 心跳包

Socket 心跳包是一种网络通信协议，在通信过程中，通过周期性地发送、接收心跳包，来检测网络通信的稳定性和可靠性，从而避免一些网络延迟、丢包等问题。在使用 Socket 心跳包的过程中，我们可以设置心跳包的发送周期、超时时间等信息，从而更好地控制网络通信的质量和效率。

二、Socket 心跳包的作用

1. 检测网络连接的可靠性和稳定性

Socket 心跳包最主要的作用是检测网络通信的可靠性和稳定性，通过定时发送、接收心跳包，我们可以了解到当前网络连接的情况，识别网络中存在的延迟、丢包等问题，从而进行相应的优化和处理。

2. 避免连接超时和意外断开

在网络通信过程中，如果长时间没有数据传输，有可能会导致连接超时和意外断开的问题，这对于需要长时间保持连接的网络应用程序来说是非常不利的。通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证在长时间无数据传输的情况下，仍能保持连接状态，从而避免连接超时和意外断开的问题。

3. 提高网络通信的效率和质量

通过使用 Socket 心跳包，我们可以定期检测网络连接的可靠性和稳定性，实时处理网络中存在的延迟、丢包等问题，从而提高网络通信的效率和质量，保证数据的及时性和准确性。

4. 防止网络攻击

网络攻击是网络安全领域中的一大问题，攻击者可以通过一些手段来破坏网络连接的稳定性和可靠性，从而对我们的网络安全造成威胁。通过使用 Linux Socket 心跳包，我们可以及时识别网络中存在的攻击行为，并采取相应的措施，从而保证我们的网络安全。

三、Socket 心跳包的应用场景

1. 在网络游戏中的应用

网络游戏要求玩家之间保持实时的连接状态，否则可能会导致游戏数据的丢失或者延迟，从而影响游戏的体验。通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证玩家之间的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，提高游戏的体验效果。

2. 在计算机集群中的应用

计算机集群是一种高性能计算技术，它将多台计算机组成一个整体，从而提高计算能力和效率。在计算机集群中，通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证计算节点之间的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，从而提高计算能力和效率。

3. 在数据中心中的应用

数据中心是一个大规模的计算机集群，负责大规模的数据存储和处理工作。在数据中心中，通过使用 Socket 心跳包，我们可以保证数据中心中各个节点的连接状态，并及时处理网络中可能存在的问题，从而提高数据的存储和处理效率。

四、Socket 心跳包的实现方法

Socket 心跳包的实现方法非常简单，我们只需要在代码中设置心跳包的发送周期和超时时间即可。下面是一个简单的实现示例：

1. 设置心跳包的周期和超时时间：

int interval = 10; // 心跳包发送周期，单位秒int timeout = 30; // 心跳包超时时间，单位秒

2. 定时发送心跳包：

void send_heartbeat(int sockfd)
{// 构造心跳包数据char *heartbeat_data = “heartbeat”;// 发送心跳包send(sockfd, heartbeat_data, strlen(heartbeat_data), 0);
}

3. 定时检测心跳包的超时：

void check_heartbeat_timeout(int sockfd)
{// 检测心跳包的超时时间if (time(NULL) – last_heartbeat_time > timeout){// 心跳包超时，关闭连接close(sockfd);}
}

五、结论

Linux Socket 心跳包是一种有效的网络通信协议，可以提高网络通信的稳定性和可靠性，从而减少一些网络延迟、丢包等问题。通过使用心跳包，我们可以定期检测网络连接的状态，并及时处理网络中存在的问题，从而提高网络通信的效率和质量，保证数据的及时性和准确性。在网络游戏、计算机集群、数据中心等应用场景中，心跳包也都有着广泛的应用，成为了保证网络通信稳定性和可靠性的重要手段。

六、示例程序

在应用层实现自己的心跳机制，即定时发送一个自定义的结构体（心跳包），让对方知道自己还活着，以确保连接的有效性。

在TCP socket心跳机制中，心跳包可以由服务器发送给客户端，也可以由客户端发送给服务器，不过比较起来，前者开销可能更大。—— 这里实现的是由客户端给服务器发送心跳包，基本思路是：

1） 服务器为每个客户端保存了IP和计数器count，即map<fd, pair<ip, count>>。服务端主线程采用 select 实现多路IO复用，监听新连接以及接受数据包（心跳包），子线程用于检测心跳：

  • 如果主线程接收到的是心跳包，将该客户端对应的计数器 count 清零；
  • 在子线程中，每隔3秒遍历一次所有客户端的计数器 count：
    • 若 count 小于 5，将 count 计数器加 1；
    • 若 count 等于 5，说明已经15秒未收到该用户心跳包，判定该用户已经掉线；

2） 客户端则只是开辟子线程，定时给服务器发送心跳包（本示例中定时时间为3秒）。
下面是Linux下一个socket心跳包的简单实现：

Server.cpp

#include<netinet/in.h>   // sockaddr_in
#include<sys/types.h>    // socket
#include<sys/socket.h>   // socket
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>   // select
#include<sys/ioctl.h>
#include<sys/time.h>
#include<iostream>
#include<vector>
#include<map>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstdio>
#include<cstring>
using namespace std;
#define BUFFER_SIZE 1024enum Type {HEART, OTHER};struct PACKET_HEAD
{Type type;int length;
};void* heart_handler(void* arg);class Server
{
private:struct sockaddr_in server_addr;socklen_t server_addr_len;int listen_fd;    // 监听的fdint max_fd;       // 最大的fdfd_set master_set;   // 所有fd集合，包括监听fd和客户端fd   fd_set working_set;  // 工作集合struct timeval timeout;map<int, pair<string, int> > mmap;   // 记录连接的客户端fd--><ip, count>
public:Server(int port);~Server();void Bind();void Listen(int queue_len = 20);void Accept();void Run();void Recv(int nums);friend void* heart_handler(void* arg);
};Server::Server(int port)
{bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(port);// create socket to listenlisten_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(listen_fd < 0){cout << "Create Socket Failed!";exit(1);}int opt = 1;setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
}Server::~Server()
{for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd){if(FD_ISSET(fd, &master_set)){close(fd);}}
}void Server::Bind()
{if(-1 == (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)))){cout << "Server Bind Failed!";exit(1);}cout << "Bind Successfully.\n"; 
}void Server::Listen(int queue_len)
{if(-1 == listen(listen_fd, queue_len)){cout << "Server Listen Failed!";exit(1);}cout << "Listen Successfully.\n";
}void Server::Accept()
{struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);int new_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);if(new_fd < 0){cout << "Server Accept Failed!";exit(1);}string ip(inet_ntoa(client_addr.sin_addr));    // 获取客户端IPcout << ip << " new connection was accepted.\n";mmap.insert(make_pair(new_fd, make_pair(ip, 0)));// 将新建立的连接的fd加入master_setFD_SET(new_fd, &master_set);if(new_fd > max_fd){max_fd = new_fd;}
}   void Server::Recv(int nums)
{for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd){if(FD_ISSET(fd, &working_set)){bool close_conn = false;  // 标记当前连接是否断开了PACKET_HEAD head;recv(fd, &head, sizeof(head), 0);   // 先接受包头if(head.type == HEART){mmap[fd].second = 0;        // 每次收到心跳包，count置0cout << "Received heart-beat from client.\n";}else{// 数据包，通过head.length确认数据包长度 }   if(close_conn)  // 当前这个连接有问题，关闭它{close(fd);FD_CLR(fd, &master_set);if(fd == max_fd)  // 需要更新max_fd;{while(FD_ISSET(max_fd, &master_set) == false)--max_fd;}}}}   
}void Server::Run()
{pthread_t id;     // 创建心跳检测线程int ret = pthread_create(&id, NULL, heart_handler, (void*)this);if(ret != 0){cout << "Can not create heart-beat checking thread.\n";}max_fd = listen_fd;   // 初始化max_fdFD_ZERO(&master_set);FD_SET(listen_fd, &master_set);  // 添加监听fdwhile(1){FD_ZERO(&working_set);memcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));timeout.tv_sec = 30;timeout.tv_usec = 0;int nums = select(max_fd+1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);if(nums < 0){cout << "select() error!";exit(1);}if(nums == 0){//cout << "select() is timeout!";continue;}if(FD_ISSET(listen_fd, &working_set))Accept();   // 有新的客户端请求elseRecv(nums); // 接收客户端的消息}
}// thread function
void* heart_handler(void* arg)
{cout << "The heartbeat checking thread started.\n";Server* s = (Server*)arg;while(1){map<int, pair<string, int> >::iterator it = s->mmap.begin();for( ; it!=s->mmap.end(); ){   if(it->second.second == 5)   // 3s*5没有收到心跳包，判定客户端掉线{cout << "The client " << it->second.first << " has be offline.\n";int fd = it->first;close(fd);            // 关闭该连接FD_CLR(fd, &s->master_set);if(fd == s->max_fd)      // 需要更新max_fd;{while(FD_ISSET(s->max_fd, &s->master_set) == false)s->max_fd--;}s->mmap.erase(it++);  // 从map中移除该记录}else if(it->second.second < 5 && it->second.second >= 0){it->second.second += 1;++it;}else{++it;}}sleep(3);   // 定时三秒}
}int main()
{Server server(1234);server.Bind();server.Listen();server.Run();return 0;
}

Client.cpp

#include<netinet/in.h>   // sockaddr_in
#include<sys/types.h>    // socket
#include<sys/socket.h>   // socket
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/ioctl.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstdio>
#include<cstring>
using namespace std;
#define BUFFER_SIZE 1024enum Type {HEART, OTHER};struct PACKET_HEAD
{Type type;int length;
};void* send_heart(void* arg); class Client 
{
private:struct sockaddr_in server_addr;socklen_t server_addr_len;int fd;
public:Client(string ip, int port);~Client();void Connect();void Run();friend void* send_heart(void* arg); 
};Client::Client(string ip, int port)
{bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;if(inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &server_addr.sin_addr) == 0){cout << "Server IP Address Error!";exit(1);}server_addr.sin_port = htons(port);server_addr_len = sizeof(server_addr);// create socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0){cout << "Create Socket Failed!";exit(1);}
}Client::~Client()
{close(fd);
}void Client::Connect()
{cout << "Connecting......" << endl;if(connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_len) < 0){cout << "Can not Connect to Server IP!";exit(1);}cout << "Connect to Server successfully." << endl;
}void Client::Run()
{pthread_t id;int ret = pthread_create(&id, NULL, send_heart, (void*)this);if(ret != 0){cout << "Can not create thread!";exit(1);}
}// thread function
void* send_heart(void* arg)
{cout << "The heartbeat sending thread started.\n";Client* c = (Client*)arg;int count = 0;  // 测试while(1) {PACKET_HEAD head;head.type = HEART;head.length = 0;    send(c->fd, &head, sizeof(head), 0);sleep(3);     // 定时3秒++count;      // 测试：发送15次心跳包就停止发送if(count > 15)break;}
}int main()
{Client client("127.0.0.1", 15000);client.Connect();client.Run();while(1){string msg;getline(cin, msg);if(msg == "exit")break;cout << "msg\n";}return 0;
}

客户端启动以后发送了15次心跳包，然后停止发送心跳包。在经过一段时间后（3s*5），服务器就判断该客户端掉线，并断开了连接。

内容引用：

TCP socket心跳包示例程序 - 专注it - 博客园 (cnblogs.com)

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