长连接-心跳保活机制
前言
- 當(dāng)實(shí)現(xiàn)具備實(shí)時(shí)性需求時(shí)，我們一般會(huì)選擇長(zhǎng)連接的通信方式
- 而在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)連接方式時(shí)，存在很多性能問(wèn)題，如 長(zhǎng)連接保活
- 今天，我將?手把手教大家實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的心跳保活機(jī)制，從而能高效維持長(zhǎng)連接
目錄
1. 長(zhǎng)連接 介紹
1.1 簡(jiǎn)介
1.2 作用
通過(guò)?長(zhǎng)時(shí)間保持雙方連接，從而：
- 提高通信速度
- 確保實(shí)時(shí)性
- 避免短時(shí)間內(nèi)重復(fù)連接所造成的信道資源 & 網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)
1.3 長(zhǎng)連接 與 短連接的區(qū)別
2. 長(zhǎng)連接斷開(kāi)的原因
從上節(jié)可知，在長(zhǎng)連接的情況下，雙方的所有通信 都建立在1條長(zhǎng)連接上（1次TCP連接）；所以，長(zhǎng)連接 需要 持續(xù)保持雙方連接 才可使得雙方持續(xù)通信
可是，長(zhǎng)連接會(huì)存在斷開(kāi)的情況，而 斷開(kāi)原因 主要是：
- 長(zhǎng)連接所在進(jìn)程被殺死
- NAT超時(shí)
- 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化
- 其他不可抗因素（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差、DHCP的租期等等 ）
下面，我將對(duì)每種原因進(jìn)行分析
原因1：進(jìn)程被殺死
當(dāng)進(jìn)程被殺死后，長(zhǎng)連接也會(huì)隨之?dāng)嚅_(kāi)
原因2：NAT 超時(shí)（重點(diǎn)關(guān)注）
- NAT超時(shí)現(xiàn)象如下
- 各運(yùn)營(yíng)商 & 地區(qū)的 NAT超時(shí)時(shí)間如下
- 特別注意：排除其他外因（網(wǎng)絡(luò)切換、NAT超時(shí)、人為原因），TCP長(zhǎng)連接在雙方都不斷開(kāi)連接的情況上，本質(zhì)上是不會(huì)自動(dòng)中斷的?
原因3：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化
當(dāng)移動(dòng)客戶端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（如移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) & Wifi切換、斷開(kāi)、重連），也會(huì)使長(zhǎng)連接斷開(kāi)原因4：其他不可抗因素
如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差、DHCP的租期到期等等，都會(huì)使得長(zhǎng)連接發(fā)生 偶然的斷開(kāi)
DHCP的租期到期：對(duì)于?Android系統(tǒng)，?DHCP到了租期后不會(huì)主動(dòng)續(xù)約 & 繼續(xù)使用過(guò)期IP,，從而導(dǎo)致長(zhǎng)連接 斷開(kāi)
3. 高效維持長(zhǎng)連接的解決方案
- 在了解長(zhǎng)連接斷開(kāi)原因后，針對(duì)對(duì)應(yīng)原因，此處給出?高效維持長(zhǎng)連接的解決方案
- 為此，若需有效維持長(zhǎng)連接，則需要做到
其實(shí)，說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)：高效維持長(zhǎng)連接的關(guān)鍵在于
- 保活：處于連接狀態(tài)時(shí)盡量不要斷
- 斷線重連：斷了之后繼續(xù)重連回來(lái)
解決方案1：進(jìn)程保活
整體概括如下：?
解決方案2：心跳保活機(jī)制
這是本文的重點(diǎn)，下節(jié)開(kāi)始會(huì)詳細(xì)解析
解決方案3：斷線重連機(jī)制
- 原理?
檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化 & 判斷連接的有效性 - 具體實(shí)現(xiàn)?
前者請(qǐng)參考文章：Android：檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)&監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)變化；后者主要存在于心跳保活機(jī)制，所以下面會(huì)在心跳保活機(jī)制中一起講解。
4. 心跳保活機(jī)制簡(jiǎn)介
- 心跳保活機(jī)制的整體介紹如下
- 注：很多人容易混淆 心跳機(jī)制 & 輪詢機(jī)制，此處給出二者區(qū)別
5. 主流心跳機(jī)制分析 & 對(duì)比
對(duì)國(guó)、內(nèi)外主流的移動(dòng)IM產(chǎn)品（WhatsApp、Line、微信）進(jìn)行了心跳機(jī)制的簡(jiǎn)單分析 & 對(duì)比，具體請(qǐng)看下圖
6. 心跳機(jī)制方案 總體設(shè)計(jì)
下面，將根據(jù)市面上主流的心跳機(jī)制，設(shè)計(jì) 一套心跳機(jī)制方案
6.1 基本流程
6.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- 對(duì)于心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的主要考慮因素 =?保證消息的實(shí)時(shí)性 & 耗費(fèi)設(shè)備的資源（網(wǎng)絡(luò)流量、電量、CPU等等）
- 從上圖可以看出，對(duì)于心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于?
- 心跳包的規(guī)格（內(nèi)容 & 大小）
- 心跳發(fā)送的間隔時(shí)間
- 斷線重連機(jī)制 （核心 = 如何 判斷長(zhǎng)連接的有效性）
在下面的方案設(shè)計(jì)中，將針對(duì)這3個(gè)問(wèn)題給出詳細(xì)的解決方案。
7. 心跳機(jī)制方案 詳細(xì)設(shè)計(jì)
7.1 心跳包的規(guī)格
為了減少流量 & 提高發(fā)送效率，需要精簡(jiǎn)心跳包的設(shè)計(jì)
7.1.1 設(shè)計(jì)原則
主要從心跳包的內(nèi)容 & 大小入手，設(shè)計(jì)原則具體如下
7.1.2 設(shè)計(jì)方案
心跳包 = 1個(gè)攜帶少量信息?&?大小在10字節(jié)內(nèi)的信息包
7.2 心跳發(fā)送的間隔時(shí)間
為了 防止NAT超時(shí) & 減少設(shè)備資源的消耗（網(wǎng)絡(luò)流量、電量、CPU等等），心跳發(fā)送的間隔時(shí)間?是 整個(gè) 心跳機(jī)制方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
7.2.1 設(shè)計(jì)原則
心跳發(fā)送間隔時(shí)間的設(shè)計(jì)原則如下
7.2.2 設(shè)計(jì)方案
a. 最直接 & 常用方案
一般，最直接 & 常用的心跳發(fā)送間隔時(shí)間設(shè)置方案 ：每隔估計(jì)?x?分鐘發(fā)送心跳包1次
其中，x ＜5分鐘即可。（綜合主流移動(dòng)IM產(chǎn)品，此處建議 x= 4分鐘）
但是，這種方案存在一些問(wèn)題：
下面，我將詳細(xì)講解 自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 的設(shè)計(jì)方案
b. 自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 設(shè)計(jì)方案
- 基本流程
- 該方案需要解決的有2個(gè)核心問(wèn)題：
1.如何自適應(yīng)計(jì)算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近 當(dāng)前NAT?超時(shí)時(shí)間？
答：不斷增加心跳間隔時(shí)間進(jìn)行心跳應(yīng)答測(cè)試，直到心跳失敗5次后，即可找出最接近 當(dāng)前NAT?超時(shí)時(shí)間的心跳間隔時(shí)間。具體請(qǐng)看下圖：
注：只有當(dāng)心跳間隔 接近?NAT?超時(shí)時(shí)間 時(shí)，才能最大化平衡 長(zhǎng)連接不中斷 & 設(shè)備資源消耗最低的問(wèn)題。
2.如何檢測(cè) 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT?超時(shí)時(shí)間 發(fā)生了變化 ？
答：當(dāng)前發(fā)送心跳包成功 的最大間隔時(shí)間（即最接近NAT超時(shí)時(shí)間的心跳間隔） 發(fā)送失敗5次后，則判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT?超時(shí)時(shí)間 發(fā)生了變化。具體請(qǐng)看下圖：
注：在檢測(cè)到?NAT?超時(shí)時(shí)間 發(fā)生變化后，重新自適應(yīng)計(jì)算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近?NAT?超時(shí)時(shí)間
- 總結(jié)：統(tǒng)籌2個(gè)核心問(wèn)題，總結(jié)出自適應(yīng)心跳間隔時(shí)間 設(shè)計(jì)方案為下圖
7.3 斷線重連機(jī)制
該機(jī)制的核心在于，?如何 判斷長(zhǎng)連接的有效性
即，什么情況下視為 長(zhǎng)連接 斷線？
7.3.1 設(shè)計(jì)原則
- 判斷長(zhǎng)連接是否有效的準(zhǔn)則 =?服務(wù)器是否返回心跳應(yīng)答
- 此處需要 分清：長(zhǎng)連接?存活 & 有效?狀態(tài)的區(qū)別：
7.3.2 設(shè)計(jì)方案
基本思路?
若連續(xù)5次發(fā)送心跳后，服務(wù)器都無(wú)心跳應(yīng)答，則視為長(zhǎng)連接無(wú)效通過(guò)計(jì)數(shù)計(jì)算
判斷流程
7.3.3 網(wǎng)上流傳的方案
在網(wǎng)上流傳著一些用于判斷長(zhǎng)連接是否有效的方案，具體介紹如下
至此，關(guān)于心跳保活機(jī)制已經(jīng)講解完畢。
7.4 總結(jié)
- 設(shè)計(jì)方案
- 流程設(shè)計(jì)?
其中，標(biāo)識(shí) “灰色” 的判斷流程參考上文描述
8. 優(yōu)化 & 完善
上面的方案依然會(huì)存在缺陷，從而導(dǎo)致 長(zhǎng)連接斷開(kāi)
如，長(zhǎng)連接本身不可用（此時(shí)重連多少次也沒(méi)用）
下面，將優(yōu)化 & 完善上述方案，從而保證 客戶端與服務(wù)器依然保持著通信狀態(tài)
優(yōu)化點(diǎn)
- 確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開(kāi)始長(zhǎng)連接
- 自適應(yīng)計(jì)算心跳包間隔時(shí)間的時(shí)機(jī)
8.1 確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開(kāi)始長(zhǎng)連接
- 問(wèn)題描述
- 解決方案
- 加入到原有 心跳保活機(jī)制 主流程?
8.2 自適應(yīng)計(jì)算心跳包間隔時(shí)間的時(shí)機(jī)
- 問(wèn)題描述
- 方案設(shè)計(jì)
- 加入到原有 心跳保活機(jī)制 主流程
8.3 總結(jié)
9. 額外說(shuō)明：TCP 協(xié)議自帶 KeepAlive 的機(jī)制 是否 可替代心跳機(jī)制
很多人認(rèn)為，TCP?協(xié)議自身就有KeepAlive機(jī)制，為何基于它的通訊鏈接，仍需?在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)額外的心跳保活機(jī)制？
9.1 回答
- 結(jié)論：無(wú)法替代
- 原因：TCP KeepAlive機(jī)制 的作用 是檢測(cè)連接的有無(wú)（死活），但無(wú)法檢測(cè)連接是否有效。?
“連接有效”的定義 = 雙方具備發(fā)送 & 接收消息的能力
9.2 KeepAlive 機(jī)制概述
先來(lái)看看KeepAlive?機(jī)制 是什么
9.3 具體原因
KeepAlive?的機(jī)制 不可 替代心跳機(jī)制 的具體原因如下：
9.4 特別注意
9.6 結(jié)論
KeepAlive機(jī)制無(wú)法代替心跳機(jī)制，需要在應(yīng)用層 自己實(shí)現(xiàn)心跳機(jī)制以檢測(cè)長(zhǎng)連接的有效性，從而高效維持長(zhǎng)連接
10. 總結(jié)
- 看完本文后，相信在高效維持長(zhǎng)連接的需求下，你可以完美地解決了！（具體總結(jié)如下）
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的长连接-心跳保活机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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