如何高效维持网络长连接：手把手教你实现 自适应的心跳保活机制
前言
- 当实现具备实时性需求时，我们一般会选择长连接的通信方式
- 而在实现长连接方式时，存在很多性能问题，如 长连接保活
- 今天，我将 手把手教大家实现自适应的心跳保活机制，从而能高效维持长连接
目录
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1. 长连接 介绍
1.1 简介
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1.2 作用
通过 长时间保持双方连接，从而：
- 提高通信速度
- 确保实时性
- 避免短时间内重复连接所造成的信道资源 & 网络资源的浪费
1.3 长连接 与 短连接的区别
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2. 长连接断开的原因
-
从上节可知，在长连接的情况下，双方的所有通信 都建立在1条长连接上（1次
TCP连接）；所以，长连接 需要 持续保持双方连接 才可使得双方持续通信 -
可是，长连接会存在断开的情况，而 断开原因 主要是：
- 长连接所在进程被杀死
-
NAT超时 - 网络状态发生变化
- 其他不可抗因素（网络状态差、
DHCP的租期等等 ）
下面，我将对每种原因进行分析
原因1：进程被杀死
当进程被杀死后，长连接也会随之断开
原因2：NAT 超时（重点关注）
- NAT超时现象如下
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- 各运营商 & 地区的 NAT超时时间如下
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- 特别注意：排除其他外因（网络切换、
NAT超时、人为原因），TCP长连接在双方都不断开连接的情况上，本质上是不会自动中断的
- 即，不需要心跳包来维持
- 验证：让2台电脑连上同1个
Wifi（其中1台做服务器, 另1台做客户端连接服务器（无设置KeepAlive）；只要电脑、路由器不断网断电，那么，2台电脑的长连接是不会自动中断的。
原因3：网络状态发生变化
当移动客户端网络状态发生变化时（如移动网络 & Wifi切换、断开、重连），也会使长连接断开
原因4：其他不可抗因素
如网络状态差、DHCP的租期到期等等，都会使得长连接发生 偶然的断开
DHCP的租期到期：对于Android系统，DHCP到了租期后不会主动续约 & 继续使用过期IP,，从而导致长连接 断开
3. 高效维持长连接的解决方案
- 在了解长连接断开原因后，针对对应原因，此处给出 高效维持长连接的解决方案
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- 为此，若需有效维持长连接，则需要做到
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其实，说得简单点：高效维持长连接的关键在于
- 保活：处于连接状态时尽量不要断
- 断线重连：断了之后继续重连回来
解决方案1：进程保活
整体概括如下：
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解决方案2：心跳保活机制
这是本文的重点，下节开始会详细解析
解决方案3：断线重连机制
- 原理
检测网络状态变化 & 判断连接的有效性 - 具体实现
前者请参考文章：Android：检测网络状态&监听网络变化；后者主要存在于心跳保活机制，所以下面会在心跳保活机制中一起讲解。
4. 心跳保活机制简介
- 心跳保活机制的整体介绍如下
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- 注：很多人容易混淆 心跳机制 & 轮询机制，此处给出二者区别
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5. 主流心跳机制分析 & 对比
对国、内外主流的移动IM产品（WhatsApp、Line、微信）进行了心跳机制的简单分析 & 对比，具体请看下图
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6. 心跳机制方案 总体设计
下面，将根据市面上主流的心跳机制，设计 一套心跳机制方案
6.1 基本流程
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6.2 设计要点
- 对于心跳机制方案设计的主要考虑因素 = 保证消息的实时性 & 耗费设备的资源（网络流量、电量、CPU等等）
- 从上图可以看出，对于心跳机制方案设计的要点在于
- 心跳包的规格（内容 & 大小）
- 心跳发送的间隔时间
- 断线重连机制 （核心 = 如何 判断长连接的有效性）
在下面的方案设计中，将针对这3个问题给出详细的解决方案。
7. 心跳机制方案 详细设计
7.1 心跳包的规格
为了减少流量 & 提高发送效率，需要精简心跳包的设计
7.1.1 设计原则
主要从心跳包的内容 & 大小入手，设计原则具体如下
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7.1.2 设计方案
心跳包 = 1个携带少量信息 & 大小在10字节内的信息包
7.2 心跳发送的间隔时间
为了 防止NAT超时 & 减少设备资源的消耗（网络流量、电量、CPU等等），心跳发送的间隔时间 是 整个 心跳机制方案设计的重点。
7.2.1 设计原则
心跳发送间隔时间的设计原则如下
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7.2.2 设计方案
a. 最直接 & 常用方案
-
一般，最直接 & 常用的心跳发送间隔时间设置方案 ：每隔估计
x分钟发送心跳包1次 -
即 选择 ＜所有
NAT超时时间最短（5分钟）的时间 即可，综合主流移动IM产品，此处建议 x= 4分钟 -
但是，这种方案存在一些问题：
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下面，我将详细讲解 自适应心跳间隔时间 的设计方案
b. 自适应心跳间隔时间 设计方案
- 基本流程
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- 该方案需要解决的有2个核心问题：
1.如何自适应计算心跳间隔 从而使得心跳间隔 接近 当前NAT 超时时间？
答：不断增加心跳间隔时间进行心跳应答测试，直到心跳失败5次后，即可找出最接近 当前
NAT超时时间的心跳间隔时间。具体请看下图：
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注：只有当心跳间隔 接近 NAT 超时时间 时，才能最大化平衡 长连接不中断 & 设备资源消耗最低的问题。
2.如何检测 当前网络环境的NAT 超时时间 发生了变化 ？
答：当前发送心跳包成功 的最大间隔时间（即最接近NAT超时时间的心跳间隔） 发送失败5次后，则判断当前网络环境的
NAT超时时间 发生了变化。具体请看下图：
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注：在检测到 NAT 超时时间 发生变化后，重新自适应计算心跳间隔 从而使得心跳间隔 接近 NAT 超时时间
- 总结：统筹2个核心问题，总结出自适应心跳间隔时间 设计方案为下图
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7.3 断线重连机制
该机制的核心在于， 如何 判断长连接的有效性
即，什么情况下视为 长连接 断线？
7.3.1 设计原则
- 判断长连接是否有效的准则 = 服务器是否返回心跳应答
- 此处需要 分清：长连接 存活 & 有效 状态的区别：
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7.3.2 设计方案
- 基本思路
若连续5次发送心跳后，服务器都无心跳应答，则视为长连接无效
通过计数计算
- 判断流程
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7.3.3 网上流传的方案
在网上流传着一些用于判断长连接是否有效的方案，具体介绍如下
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至此，关于心跳保活机制已经讲解完毕。
7.4 总结
- 设计方案
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- 流程设计
其中，标识 “灰色” 的判断流程参考上文描述
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8. 优化 & 完善
- 上面的方案依然会存在缺陷，从而导致 长连接断开
如，长连接本身不可用（此时重连多少次也没用）
-
下面，将优化 & 完善上述方案，从而保证 客户端与服务器依然保持着通信状态
-
优化点
- 确保当前网络的有效性 & 稳定性再开始长连接
- 自适应计算心跳包间隔时间的时机
8.1 确保当前网络的有效性 & 稳定性再开始长连接
- 问题描述
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- 解决方案
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-
加入到原有 心跳保活机制 主流程
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8.2 自适应计算心跳包间隔时间的时机
- 问题描述
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- 方案设计
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- 加入到原有 心跳保活机制 主流程
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8.3 总结
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9. 额外说明：TCP 协议自带 KeepAlive 的机制 是否 可替代心跳机制
很多人认为，TCP 协议自身就有KeepAlive机制，为何基于它的通讯链接，仍需 在应用层实现额外的心跳保活机制？
9.1 回答
- 结论：无法替代
- 原因：
TCP KeepAlive机制 的作用 是检测连接的有无（死活），但无法检测连接是否有效。
“连接有效”的定义 = 双方具备发送 & 接收消息的能力
9.2 KeepAlive 机制概述
先来看看KeepAlive 机制 是什么
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9.3 具体原因
KeepAlive 的机制 不可 替代心跳机制 的具体原因如下：
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9.4 特别注意
-
KeepAlive机制只是操作系统底层的一个被动机制，不应该被上层应用层使用 - 当系统关闭一个由
KeepAlive机制检查出来的死连接时，是不会主动通知上层应用的，只能通过调用相应IO操作的返回值中发现
9.6 结论
KeepAlive机制无法代替心跳机制，需要在应用层 自己实现心跳机制以检测长连接的有效性，从而高效维持长连接
10. 实现方式
- 关于该心跳保活机制的实现方案，可采用多种方案实现
- 在
Android端，本人推荐使用Rxjava，因为：基于事件流的链式调用 的使用方式 使得 复杂方案 实现得更加优雅、逻辑简洁 & 使用简单
RxJava简介如下
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- 关于
RxJava的使用，请看我系列文章：手把手带你玩转RxJava
11. 总结
- 看完本文后，相信在高效维持长连接的需求下，你可以完美地解决了！（具体总结如下）
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- 下面我将继续对
Android中的其他代码规范进行深入讲解 ，有兴趣可以继续关注Carson_Ho的安卓开发笔记
请点赞！因为你的鼓励是我写作的最大动力！
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