HTTP-Keep-Alive是什么?如何工作?

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.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:
#tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80
20:36:50.792731 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: S 1520902589:1520902589(0) win 65535
20:36:50.792798 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: S 290378256:290378256(0) ack 1520902590 win 5840
20:36:50.801629 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768

20:36:50.801838 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768
20:36:50.801843 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: . ack 797 win 59

20:37:50.803230 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: P 1:287(286) ack 797 win 59
20:37:50.803289 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: F 287:287(0) ack 797 win 59
20:37:50.893396 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: . ack 288 win 32625
20:37:50.894249 IP 218.1.57.236.43052 > 222.73.211.215.http: F 797:797(0) ack 288 win 32625
20:37:50.894252 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.43052: . ack 798 win 59
  • 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。
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
#tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80
21:38:05.471129 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: S 1669618600:1669618600(0) win 65535
21:38:05.471140 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: S 4166993862:4166993862(0) ack 1669618601 win 5840
21:38:05.481731 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768
21:38:05.481976 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768
21:38:05.481985 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: . ack 797 win 59

21:38:07.483626 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: P 1:326(325) ack 797 win 59
21:38:07.747614 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 326 win 32605
21:43:07.448454 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: F 326:326(0) ack 797 win 59
21:43:07.560316 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: . ack 327 win 32605
21:43:11.759102 IP 218.1.57.236.54049 > 222.73.211.215.http: F 797:797(0) ack 327 win 32605
21:43:11.759111 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.54049: . ack 798 win 59
  • 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。

# tcpdump -n host 218.1.57.236 and port 80
22:43:57.102448 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: S 4009392741:4009392741(0) win 65535
22:43:57.102527 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: S 4036426778:4036426778(0) ack 4009392742 win 5840
22:43:57.111337 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1 win 32768

22:43:57.111522 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 1:797(796) ack 1 win 32768
22:43:57.111530 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 797 win 59
22:43:59.114663 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 1:326(325) ack 797 win 59
22:43:59.350143 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 326 win 32605

22:45:59.226102 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 1593:2389(796) ack 650 win 32443
22:45:59.226109 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 2389 win 83
22:46:01.227187 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 650:974(324) ack 2389 win 83
22:46:01.450364 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 974 win 32281

22:47:57.377707 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: P 3185:3981(796) ack 1298 win 32119
22:47:57.377714 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 3981 win 108
22:47:59.379496 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: P 1298:1622(324) ack 3981 win 108
22:47:59.628964 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1622 win 32768

22:50:59.358537 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: F 1622:1622(0) ack 3981 win 108
22:50:59.367911 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: . ack 1623 win 32768
22:50:59.686527 IP 218.1.57.236.49955 > 222.73.211.215.http: F 3981:3981(0) ack 1623 win 32768
22:50:59.686531 IP 222.73.211.215.http > 218.1.57.236.49955: . ack 3982 win 108
  • 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

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:

echo 1800 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
echo 15 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl
echo 5 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes

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。

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。

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