E25492bfa109fe166045b8a788ed651d
Android 架构之长连接技术

上一篇文章《Android 架构之网络框架(上)》中,我们谈过了网络框架OkHttp、网络加速方案如HttpDNS、数据压缩与序列化等技术点。本文我们结合腾讯Mars框架美团Shark体系等业内主流长连接方案,谈一谈长连接技术的各个方面。

本文会包括下面的技术点:

  • 长连接与Http短连接、Keep-Alive傻傻分不清
  • 你为什么需要长连接
  • 长连接何时会断开
  • 如何建立稳定长连接
  • Mars智能心跳机制
  • 长连接数据协议及加密
  • 长连接通道建设及容灾

除了大家常用的Http短连接,大型App几乎都会搭建一套完整的TCP长连接网络通道。我们先来看下美团Shark长连接的线上数据:

图片来源 《美团点评移动网络优化实践

上面两张图片对比了长/短连接的成功率和网络延时数据,这两个是网络模块最重要的衡量指标。可以看出,无论是成功率,还是网络延时,长连接都明显优于短连接。

另外,大家都知道微信的消息收发非常即时,这便归功于背后稳定高可用的长连接系统。实际上,微信除了消息收发,其他的小数据通信都是通过长连接来实现的。

下面我们来讲解一些长连接的一些核心技术点。

I. 长连接与Http短连接、Keep-Alive傻傻分不清

为防止大家对于长连接和短连接混淆,这里先简单说明下几点区别。

长连接 vs Http短连接

这两者分别对应的是TCP协议层长连接短连接

大家都知道,TCP会通过三次握手,建立与服务端的连接,然后传递数据,只不过短连接在数据传输完后,会主动关闭连接,而长连接会继续保持这条连接,后续的数据读写继续使用这条连接。

长连接 vs Http的Keep-Alive

上一篇文章中提到了连接复用,通过Http1.1的Keep Alive字段,我们可以让一条Http连接保持不被立即关闭。有些同学这时就疑惑了,是不是长连接就是Keep Alive呢?

其实不是的。长连接我们也叫TCP长连接,它是架设在TCP协议上的,而上面说的Keep Alive是Http协议的内容,连协议都不同,两者自然不是一个东西。

开启了Keep Alive是Http连接,我们也称之为持久连接,和长连接并不同。感兴趣可参考此文:《TCP 进阶》

TCP的Keep-Alive vs Http的Keep-Alive

提到Keep Alive,有些同学就会问了,TCP协议里也有一个Keep Alive,它和Http协议里的Keep Alive有什么区别吗?

二者的用处并不同。Http协议在完成一个请求后,服务器会自动关闭连接。这时,可以在请求里带上一个Keep Alive给服务器,告诉服务器不要立即关闭连接,我还想继续复用这条连接;而对TCP协议层而言,是不会自动断开的,但这也带来了一个问题,万一由于某些外部原因导致连接断开,那我如何知道连接已失效呢?TCP会在2个小时间隔后,自动发送一个Keep Alive数据包给服务端,探测一下服务器是否还在响应。它的功能类似心跳包,只是间隔太长,不适合做真正的心跳包。

II. 你为什么需要长连接

那么,相比Http短连接,长连接技术能带来什么好处呢?

1. 不同域名的请求可以复用同一个长连接通道

以前我们不同域名的请求,需要做对应的DNS请求,然后建立对应的Http连接。上篇文章里说的Http连接池在不同域名下不可复用,需要重新建立连接。这些都是一些资源开销,但是如果通过长连接通道,那域名只是这个请求里的一个字段,可以直接复用同一条长连接通道。

2. 不依赖DNS,无DNS耗时和劫持等问题

上文中我们提到了HttpDNS,虽然它比系统DNS更优,但终归还是要做DNS操作。而长连接都是IP直接连接,因此没有DNS相关的开销和耗时。

3. 如果有大量网络请求,可以明显减少网络延时,节省带宽

对于大型App而言,存在繁多密集的网络请求,这中间就会存在非常多次的Http断开和重新连接,浪费了很多时间和带宽。而通过长连接通道的话,则没有这部分耗时,直接传输二进制数据即可,节省了每次连接里Header之类的带宽开销。

4. 服务端主动Push数据到客户端

对于上面提到的微信消息接收等场景,如果需要客户端主动去轮询,则会频繁发起请求,对于服务器会产生很大的负载压力,浪费带宽流量。而通过长连接,服务端可以主动把消息下发给客户端,做到最高实时性,且节省流量。

III. 长连接何时会断开?

正常而言,长连接是不会断开的。大家可以自己试一试,两个socket建立连接,只要网络不变、一切正常,那么这两个socket可以一直互相传送数据,不会断开。

但是,在移动网络下,网络状态复杂多变,比如网络线路被切断、服务器宕机等,都会导致长连接中断。除了这些线路异常外,我们需要关注下面几个长连接断开原因:

1. 长连接所在进程被杀

这个很容易理解,如果我们的App切换到后台,那么系统随时可能将我们的App杀掉,这时长连接自然也就随之断开。

2. 用户切换网络

比如手机网络断开,或者发生Wi-Fi和蜂窝数据切换,这时会导致手机IP地址变更。而我们知道,TCP连接是基于IP + Port的,一旦IP变更,TCP连接自然也就失效了,或者说长连接也就相当于断开了。

3. 系统休眠等导致NAT超时

这里对NAT简单解释下,方便有的同学不太了解。当手机连接上网络时,网关会给我们分配一个IP地址,这个其实是内网IP,此时还未真正连接上公网,也连接不上服务器;如果想要连接公网,需要运营商将我们的内网IP映射成一个公网IP,有了公网IP,服务器就能与我们建立连接了。NAT指的就是这个映射过程。

也就是说,运营商会给每台设备分配一个公网IP,类似一张通信证。不过,随着连接网络的设备不断增多,网关负载也会不断加大,这时,运营商就会对一些不太活跃的设备进行公网IP回收了,如果下次这个设备需要连网,那就重新分配一个IP即可。

看似没问题,但实际上,如果我们的App在一段时间不活跃,发生了NAT超时,便会导致我们的公网IP失效,长连接也随之失效了。

4. DHCP 租期

DHCP 租期过期,如果没有及时续约,同样会导致IP地址失效。

综合而言,长连接在正常情况下是不会断开的,但是,一旦手机的IP地址失效,这时就不得不重新建立连接了。

IV. 如何建立稳定长连接?

上面我们提到了多种长连接断开的原因,那我们应该如何进行优化,尽可能保证长连接不断开,或者及时断开了,也要尽快重连呢?

1. Mars长连接独立进程

为了减少进程被杀的几率,在Mars的Demo代码里我们可以看到,它将长连接逻辑单独提取到了一个独立的进程里。这个进程只做网络交互,消耗的内存等资源自然较少,从而减少了被系统回收的概率。

图片来自《Android版微信后台保活实战分享(进程保活篇)》

2. 长连接进程复活

进程被杀难以避免,不过可以通过AlarmReceiver、 ConnectReceiver、BootReceiver,达到进程的及时唤醒。

当然,进程保活是一个比较大的话题,而且不恰当的进程保活也会对系统体验造成危害。这里就不深究了。

top Created with Sketch.