Socket 死连接详解

Socket 死连接详解

  当使用 Socket 进行通信时，由于各种不同的因素，都有可能导致死连接停留在服务器端，假如服务端需要处理的连接较多，就有可能造成服务器资源严重浪费，对此，本文将阐述其原理以及解决方法。

  在写 Socket 进行通讯时，我们必须预料到各种可能发生的情况并对其进行处理，通常情况下，有以下两种情况可能造成死连接：

• 通讯程序编写不完善
• 网络/硬件故障

a) 通讯程序编写不完善

  这里要指出的一点就是，绝大多数程序都是由于程序编写不完善所造成的死连接，即对 Socket 未能进行完善的管理，导致占用端口导致服务器资源耗尽。当然，很多情况下，程序可能不是我们所写，而由于程序代码的复杂、杂乱等原因所导致难以维护也是我们所需要面对的。

  网上有很多文章都提到 Socket 长时间处于 CLOSE_WAIT 状态下的问题，说可以使用 Keepalive 选项设置 TCP 心跳来解决，但是却发现设置选项后未能收到效果 。

  因此，这里我分享出自己的解决方案：

    Windows 中对于枚举系统网络连接有一些非常方便的 API：

• GetTcpTable : 获得 TCP 连接表
• GetExtendedTcpTable : 获得扩展后的 TCP 连接表，相比 GetTcpTable 更为强大，可以获取与连接的进程 ID
• SetTcpEntry : 设置 TCP 连接状态，但据 MSDN 所述，只能设置状态为 DeleteTcb，即删除连接

  相信大多数朋友看到这些 API ，就已经了解到我们下一步要做什么了；枚举所有 TCP 连接，筛选出本进程的连接，最后判断是否 CLOSE_WAIT 状态，如果是，则使用 SetTcpEntry 关闭。

  其实 Sysinternal 的 TcpView 工具也是应用上述 API 实现其功能的，此工具为我常用的网络诊断工具，同时也可作为一个简单的手动式网络防火墙。

  下面来看 Zealic 封装后的代码：

TcpManager.cs

/**
<code>
  <revsion>$Rev: 0 $</revision>
  <owner name="Zealic" mail="rszealic(at)gmail.com" />
</code>
**/
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Net;
using System.Net.NetworkInformation;
using System.Runtime.InteropServices;


namespace Zealic.Network
{
    /// <summary>
    /// TCP 管理器
    /// </summary>
    public static class TcpManager
    {
        #region PInvoke define
        private const int TCP_TABLE_OWNER_PID_ALL = 5;

        [DllImport("iphlpapi.dll", SetLastError = true)]
        private static extern uint GetExtendedTcpTable(
            IntPtr pTcpTable, ref int dwOutBufLen, bool sort, int ipVersion, int tblClass, int reserved);

        [DllImport("iphlpapi.dll")]
        private static extern int SetTcpEntry(ref MIB_TCPROW pTcpRow);


        [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
        private struct MIB_TCPROW
        {
            public TcpState dwState;
            public int dwLocalAddr;
            public int dwLocalPort;
            public int dwRemoteAddr;
            public int dwRemotePort;
        }

        [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
        private struct MIB_TCPROW_OWNER_PID
        {
            public TcpState dwState;
            public uint dwLocalAddr;
            public int dwLocalPort;
            public uint dwRemoteAddr;
            public int dwRemotePort;
            public int dwOwningPid;
        }

        [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
        private struct MIB_TCPTABLE_OWNER_PID
        {
            public uint dwNumEntries;
            private MIB_TCPROW_OWNER_PID table;
        }
        #endregion

        private static MIB_TCPROW_OWNER_PID[] GetAllTcpConnections()
        {
            const int NO_ERROR = 0;
            const int IP_v4 = 2;
            MIB_TCPROW_OWNER_PID[] tTable = null;
            int buffSize = 0;
            GetExtendedTcpTable(IntPtr.Zero, ref buffSize, true, IP_v4, TCP_TABLE_OWNER_PID_ALL, 0);
            IntPtr buffTable = Marshal.AllocHGlobal(buffSize);
            try
            {
                if (NO_ERROR != GetExtendedTcpTable(buffTable, ref buffSize, true, IP_v4, TCP_TABLE_OWNER_PID_ALL, 0)) return null;
                MIB_TCPTABLE_OWNER_PID tab =
                    (MIB_TCPTABLE_OWNER_PID)Marshal.PtrToStructure(buffTable, typeof(MIB_TCPTABLE_OWNER_PID));
                IntPtr rowPtr = (IntPtr)((long)buffTable + Marshal.SizeOf(tab.dwNumEntries));
                tTable = new MIB_TCPROW_OWNER_PID[tab.dwNumEntries];

                int rowSize = Marshal.SizeOf(typeof(MIB_TCPROW_OWNER_PID));
                for (int i = 0; i < tab.dwNumEntries; i++)
                {
                    MIB_TCPROW_OWNER_PID tcpRow =
                        (MIB_TCPROW_OWNER_PID)Marshal.PtrToStructure(rowPtr, typeof(MIB_TCPROW_OWNER_PID));
                    tTable[i] = tcpRow;
                    rowPtr = (IntPtr)((int)rowPtr + rowSize);
                }
            }
            finally
            {
                Marshal.FreeHGlobal(buffTable);
            }
            return tTable;
        }

        private static int TranslatePort(int port)
        {
            return ((port & 0xFF) << 8 | (port & 0xFF00) >> 8);
        }

        public static bool Kill(TcpConnectionInfo conn)
        {
            if (conn == null) throw new ArgumentNullException("conn");
            MIB_TCPROW row = new MIB_TCPROW();
            row.dwState = TcpState.DeleteTcb;
#pragma warning disable 612,618
            row.dwLocalAddr = (int)conn.LocalEndPoint.Address.Address;
#pragma warning restore 612,618
            row.dwLocalPort = TranslatePort(conn.LocalEndPoint.Port);
#pragma warning disable 612,618
            row.dwRemoteAddr = (int)conn.RemoteEndPoint.Address.Address;
#pragma warning restore 612,618
            row.dwRemotePort = TranslatePort(conn.RemoteEndPoint.Port);
            return SetTcpEntry(ref row) == 0;
        }

        public static bool Kill(IPEndPoint localEndPoint, IPEndPoint remoteEndPoint)
        {
            if (localEndPoint == null) throw new ArgumentNullException("localEndPoint");
            if (remoteEndPoint == null) throw new ArgumentNullException("remoteEndPoint");
            MIB_TCPROW row = new MIB_TCPROW();
            row.dwState = TcpState.DeleteTcb;
#pragma warning disable 612,618
            row.dwLocalAddr = (int)localEndPoint.Address.Address;
#pragma warning restore 612,618
            row.dwLocalPort = TranslatePort(localEndPoint.Port);
#pragma warning disable 612,618
            row.dwRemoteAddr = (int)remoteEndPoint.Address.Address;
#pragma warning restore 612,618
            row.dwRemotePort = TranslatePort(remoteEndPoint.Port);
            return SetTcpEntry(ref row) == 0;
        }


        public static TcpConnectionInfo[] GetTableByProcess(int pid)
        {
            MIB_TCPROW_OWNER_PID[] tcpRows = GetAllTcpConnections();
            if (tcpRows == null) return null;
            List<TcpConnectionInfo> list = new List<TcpConnectionInfo>();
            foreach (MIB_TCPROW_OWNER_PID row in tcpRows)
            {
                if (row.dwOwningPid == pid)
                {
                    int localPort = TranslatePort(row.dwLocalPort);
                    int remotePort = TranslatePort(row.dwRemotePort);
                    TcpConnectionInfo conn =
                        new TcpConnectionInfo(
                            new IPEndPoint(row.dwLocalAddr, localPort),
                            new IPEndPoint(row.dwRemoteAddr, remotePort),
                            row.dwState);
                    list.Add(conn);
                }
            }
            return list.ToArray();
        }

        public static TcpConnectionInfo[] GetTalbeByCurrentProcess()
        {
            return GetTableByProcess(Process.GetCurrentProcess().Id);
        }

    }
}

TcpConnectionInfo.cs

/**
<code>
  <revsion>$Rev: 608 $</revision>
  <owner name="Zealic" mail="rszealic(at)gmail.com" />
</code>
**/
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Net;
using System.Net.NetworkInformation;


namespace Zealic.Network
{
    /// <summary>
    /// TCP 连接信息
    /// </summary>
    public sealed class TcpConnectionInfo : IEquatable<TcpConnectionInfo>, IEqualityComparer<TcpConnectionInfo>
    {
        private readonly IPEndPoint _LocalEndPoint;
        private readonly IPEndPoint _RemoteEndPoint;
        private readonly TcpState _State;

        public TcpConnectionInfo(IPEndPoint localEndPoint, IPEndPoint remoteEndPoint, TcpState state)
        {
            if (localEndPoint == null) throw new ArgumentNullException("localEndPoint");
            if (remoteEndPoint == null) throw new ArgumentNullException("remoteEndPoint");
            _LocalEndPoint = localEndPoint;
            _RemoteEndPoint = remoteEndPoint;
            _State = state;
        }

        public IPEndPoint LocalEndPoint
        {
            get { return _LocalEndPoint; }
        }

        public IPEndPoint RemoteEndPoint
        {
            get { return _RemoteEndPoint; }
        }

        public TcpState State
        {
            get { return _State; }
        }

        public bool Equals(TcpConnectionInfo x, TcpConnectionInfo y)
        {
            return (x.LocalEndPoint.Equals(y.LocalEndPoint) && x.RemoteEndPoint.Equals(y.RemoteEndPoint));
        }

        public int GetHashCode(TcpConnectionInfo obj)
        {
            return obj.LocalEndPoint.GetHashCode() ^ obj.RemoteEndPoint.GetHashCode();
        }

        public bool Equals(TcpConnectionInfo other)
        {
            return Equals(this, other);
        }

        public override bool Equals(object obj)
        {
            if (obj == null || !(obj is TcpConnectionInfo))
                return false;
            return Equals(this, (TcpConnectionInfo)obj);
        }

    }
}

  至此，我们可以通过 TcpManager 类的 GetTableByProcess 方法获取进程中所有的 TCP 连接信息，然后通过  Kill 方法强制关连接以回收系统资源，虽然很C很GX，但是很有效。

  通常情况下，我们可以使用 Timer 来定时检测进程中的 TCP 连接状态，确定其是否处于 CLOSE_WAIT 状态，当超过指定的次数/时间时，就把它干掉。

  不过，相对这样的解决方法，我还是推荐在设计 Socket 服务端程序的时候，一定要管理所有的连接，而非上述方法。

b) 网络/硬件故障

  现在我们再来看第二种情况，当网络/硬件故障时，如何应对；与上面不同，这样的情况 TCP 可能处于 ESTABLISHED、CLOSE_WAIT、FIN_WAIT 等状态中的任何一种，这时才是 Keepalive 该出马的时候。

  默认情况下 Keepalive 的时间设置为两小时，如果是请求比较多的服务端程序，两小时未免太过漫长，等到它时间到，估计连黄花菜都凉了，好在我们可以通过 Socket.IOControl 方法手动设置其属性，以达到我们的目的。

  关键代码如下：

// 假设 accepted 到的 Socket 为变量 client
...
// 设置 TCP 心跳，空闲 15 秒，每 5 秒检查一次
byte[] inOptionValues = new byte[4 * 3];
BitConverter.GetBytes((uint)1).CopyTo(inOptionValues, 0);
BitConverter.GetBytes((uint)15000).CopyTo(inOptionValues, 4);
BitConverter.GetBytes((uint)5000).CopyTo(inOptionValues, 8);
client.IOControl(IOControlCode.KeepAliveValues, inOptionValues, null);

  以上代码的作用就是设置 TCP 心跳为 5 秒，当三次检测到无法与客户端连接后，将会关闭 Socket。

  相信上述代码加上说明，对于有一定基础读者理解起来应该不难，今天到此为止。

c) 结束语

  其实对于 Socket 程序设计来说，良好的通信协议才是稳定的保证，类似于这样的问题，如果在应用程序通信协议中加入自己的心跳包，不仅可以处理多种棘手的问题，还可以在心跳 中加入自己的简单校验功能，防止包数据被 WPE 等软件篡改。但是，很多情况下这些都不是我们所能决定的，因此，才有了本文中提出的方法。

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