如何高效維持網(wǎng)絡(luò)長連接：手把手教你實現(xiàn) 自適應(yīng)的心跳?；顧C制

前言

  • 當(dāng)實現(xiàn)具備實時性需求時，我們一般會選擇長連接的通信方式
  • 而在實現(xiàn)長連接方式時，存在很多性能問題，如 長連接保活
  • 今天，我將 手把手教大家實現(xiàn)自適應(yīng)的心跳?；顧C制，從而能高效維持長連接

目錄

示意圖

1. 長連接 介紹

1.1 簡介

示意圖

1.2 作用

通過 長時間保持雙方連接，從而：

  • 提高通信速度
  • 確保實時性
  • 避免短時間內(nèi)重復(fù)連接所造成的信道資源 & 網(wǎng)絡(luò)資源的浪費

1.3 長連接 與 短連接的區(qū)別

示意圖

2. 長連接斷開的原因

  • 從上節(jié)可知，在長連接的情況下，雙方的所有通信 都建立在1條長連接上（1次TCP連接）；所以，長連接 需要 持續(xù)保持雙方連接 才可使得雙方持續(xù)通信

  • 可是，長連接會存在斷開的情況，而 斷開原因 主要是：

    1. 長連接所在進(jìn)程被殺死
    2. NAT超時
    3. 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化
    4. 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，長連接也會隨之?dāng)嚅_

原因2：NAT 超時（重點關(guān)注）

  • NAT超時現(xiàn)象如下
示意圖
  • 各運營商 & 地區(qū)的 NAT超時時間如下
示意圖
  • 特別注意：排除其他外因（網(wǎng)絡(luò)切換、NAT超時、人為原因），TCP長連接在雙方都不斷開連接的情況上，本質(zhì)上是不會自動中斷的
  1. 即，不需要心跳包來維持
  2. 驗證：讓2臺電腦連上同1個Wifi（其中1臺做服務(wù)器, 另1臺做客戶端連接服務(wù)器（無設(shè)置KeepAlive）；只要電腦、路由器不斷網(wǎng)斷電，那么，2臺電腦的長連接是不會自動中斷的。

原因3：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化

當(dāng)移動客戶端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時（如移動網(wǎng)絡(luò) & Wifi切換、斷開、重連），也會使長連接斷開

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，都會使得長連接發(fā)生 偶然的斷開

DHCP的租期到期：對于 Android系統(tǒng)， DHCP到了租期后不會主動續(xù)約 & 繼續(xù)使用過期IP,，從而導(dǎo)致長連接 斷開

3. 高效維持長連接的解決方案

  • 在了解長連接斷開原因后，針對對應(yīng)原因，此處給出 高效維持長連接的解決方案
示意圖
  • 為此，若需有效維持長連接，則需要做到
示意圖

其實，說得簡單點：高效維持長連接的關(guān)鍵在于

  • ?；睿禾幱谶B接狀態(tài)時盡量不要斷
  • 斷線重連：斷了之后繼續(xù)重連回來

解決方案1：進(jìn)程?；?/h3>

整體概括如下：


示意圖

解決方案2：心跳?；顧C制

這是本文的重點，下節(jié)開始會詳細(xì)解析

解決方案3：斷線重連機制

4. 心跳?；顧C制簡介

  • 心跳?；顧C制的整體介紹如下
示意圖
  • 注：很多人容易混淆 心跳機制 & 輪詢機制，此處給出二者區(qū)別
示意圖

5. 主流心跳機制分析 & 對比

對國、內(nèi)外主流的移動IM產(chǎn)品（WhatsApp、Line、微信）進(jìn)行了心跳機制的簡單分析 & 對比，具體請看下圖

示意圖

6. 心跳機制方案 總體設(shè)計

下面，將根據(jù)市面上主流的心跳機制，設(shè)計 一套心跳機制方案

6.1 基本流程

示意圖

6.2 設(shè)計要點

  • 對于心跳機制方案設(shè)計的主要考慮因素 = 保證消息的實時性 & 耗費設(shè)備的資源（網(wǎng)絡(luò)流量、電量、CPU等等）
  • 從上圖可以看出，對于心跳機制方案設(shè)計的要點在于
    1. 心跳包的規(guī)格（內(nèi)容 & 大?。?/li>
    2. 心跳發(fā)送的間隔時間
    3. 斷線重連機制 （核心 = 如何 判斷長連接的有效性）

在下面的方案設(shè)計中，將針對這3個問題給出詳細(xì)的解決方案。

7. 心跳機制方案 詳細(xì)設(shè)計

7.1 心跳包的規(guī)格

為了減少流量 & 提高發(fā)送效率，需要精簡心跳包的設(shè)計

7.1.1 設(shè)計原則

主要從心跳包的內(nèi)容 & 大小入手，設(shè)計原則具體如下

示意圖

7.1.2 設(shè)計方案

心跳包 = 1個攜帶少量信息 & 大小在10字節(jié)內(nèi)的信息包

7.2 心跳發(fā)送的間隔時間

為了 防止NAT超時 & 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)送的間隔時間 是 整個 心跳機制方案設(shè)計的重點。

7.2.1 設(shè)計原則

心跳發(fā)送間隔時間的設(shè)計原則如下

示意圖

7.2.2 設(shè)計方案

a. 最直接 & 常用方案

  • 一般，最直接 & 常用的心跳發(fā)送間隔時間設(shè)置方案 ：每隔估計 x 分鐘發(fā)送心跳包1次

  • 即 選擇 ＜所有NAT超時時間最短（5分鐘）的時間 即可，綜合主流移動IM產(chǎn)品，此處建議 x= 4分鐘

  • 但是，這種方案存在一些問題：

示意圖

下面，我將詳細(xì)講解 自適應(yīng)心跳間隔時間 的設(shè)計方案

b. 自適應(yīng)心跳間隔時間 設(shè)計方案
  • 基本流程
示意圖
  • 該方案需要解決的有2個核心問題：

1.如何自適應(yīng)計算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近 當(dāng)前NAT 超時時間？

答：不斷增加心跳間隔時間進(jìn)行心跳應(yīng)答測試，直到心跳失敗5次后，即可找出最接近 當(dāng)前NAT 超時時間的心跳間隔時間。具體請看下圖：

示意圖

注：只有當(dāng)心跳間隔 接近 NAT 超時時間 時，才能最大化平衡 長連接不中斷 & 設(shè)備資源消耗最低的問題。

2.如何檢測 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT 超時時間 發(fā)生了變化 ？

答：當(dāng)前發(fā)送心跳包成功 的最大間隔時間（即最接近NAT超時時間的心跳間隔） 發(fā)送失敗5次后，則判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的NAT 超時時間 發(fā)生了變化。具體請看下圖：

示意圖

注：在檢測到 NAT 超時時間 發(fā)生變化后，重新自適應(yīng)計算心跳間隔 從而使得心跳間隔 接近 NAT 超時時間

  • 總結(jié)：統(tǒng)籌2個核心問題，總結(jié)出自適應(yīng)心跳間隔時間 設(shè)計方案為下圖
示意圖

7.3 斷線重連機制

該機制的核心在于， 如何 判斷長連接的有效性

即，什么情況下視為 長連接 斷線？

7.3.1 設(shè)計原則

  • 判斷長連接是否有效的準(zhǔn)則 = 服務(wù)器是否返回心跳應(yīng)答
  • 此處需要 分清：長連接 存活 & 有效 狀態(tài)的區(qū)別：
示意圖

7.3.2 設(shè)計方案

  • 基本思路
    若連續(xù)5次發(fā)送心跳后，服務(wù)器都無心跳應(yīng)答，則視為長連接無效

通過計數(shù)計算

  • 判斷流程
示意圖

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連接是否有效的方案，具體介紹如下

示意圖

至此，關(guān)于心跳?；顧C制已經(jīng)講解完畢。

7.4 總結(jié)

  • 設(shè)計方案
示意圖
  • 流程設(shè)計

其中，標(biāo)識 “灰色” 的判斷流程參考上文描述

示意圖

8. 優(yōu)化 & 完善

  • 上面的方案依然會存在缺陷，從而導(dǎo)致 長連接斷開

如，長連接本身不可用（此時重連多少次也沒用）

  • 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

    1. 確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開始長連接
    2. 自適應(yīng)計算心跳包間隔時間的時機

8.1 確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的有效性 & 穩(wěn)定性再開始長連接

  • 問題描述
示意圖
  • 解決方案
示意圖

  • 加入到原有 心跳?；顧C制 主流程


    示意圖

8.2 自適應(yīng)計算心跳包間隔時間的時機

  • 問題描述
示意圖
  • 方案設(shè)計
示意圖
  • 加入到原有 心跳保活機制 主流程
示意圖

8.3 總結(jié)

示意圖

9. 額外說明：TCP 協(xié)議自帶 KeepAlive 的機制 是否 可替代心跳機制

很多人認(rèn)為，TCP 協(xié)議自身就有KeepAlive機制，為何基于它的通訊鏈接，仍需 在應(yīng)用層實現(xiàn)額外的心跳?；顧C制？

9.1 回答

  • 結(jié)論：無法替代
  • 原因：TCP KeepAlive機制 的作用 是檢測連接的有無（死活），但無法檢測連接是否有效。

“連接有效”的定義 = 雙方具備發(fā)送 & 接收消息的能力

9.2 KeepAlive 機制概述

先來看看KeepAlive 機制 是什么

示意圖

9.3 具體原因

KeepAlive 的機制 不可 替代心跳機制 的具體原因如下：

示意圖

9.4 特別注意

  1. KeepAlive 機制只是操作系統(tǒng)底層的一個被動機制，不應(yīng)該被上層應(yīng)用層使用
  2. 當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉一個由KeepAlive 機制檢查出來的死連接時，是不會主動通知上層應(yīng)用的，只能通過調(diào)用相應(yīng)IO操作的返回值中發(fā)現(xiàn)

9.6 結(jié)論

KeepAlive機制無法代替心跳機制，需要在應(yīng)用層 自己實現(xiàn)心跳機制以檢測長連接的有效性，從而高效維持長連接

10. 實現(xiàn)方式

  • 關(guān)于該心跳?；顧C制的實現(xiàn)方案，可采用多種方案實現(xiàn)
  • 在Android端，本人推薦使用 Rxjava，因為：基于事件流的鏈?zhǔn)秸{(diào)用 的使用方式 使得 復(fù)雜方案 實現(xiàn)得更加優(yōu)雅、邏輯簡潔 & 使用簡單

RxJava簡介如下

示意圖

11. 總結(jié)

  • 看完本文后，相信在高效維持長連接的需求下，你可以完美地解決了?。ň唧w總結(jié)如下）
示意圖

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