前言
目录
1. 长连接 介绍
1.1 简介
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
2. 长连接断开的原因
- 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
- 各运营商 & 地区的 NAT超时时间如下
- 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
- 为此，若需有效维持长连接，则需要做到
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：
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
4. 心跳保活机制简介
- 心跳保活机制的整体介绍如下
- 注：很多人容易混淆 心跳机制 & 轮询机制，此处给出二者区别
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
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
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
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
7.2.2 设计方案
- 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
其中，x ＜5分钟即可。（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
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
- 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
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：
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
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
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
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
至此，关于心跳保活机制已经讲解完毕。
7.4 总结
- 设计方案
- 流程设计
其中，标识 “灰色” 的判断流程参考上文描述
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
- 解决方案
- 加入到原有 心跳保活机制 主流程
8.2 自适应计算心跳包间隔时间的时机
- 问题描述
- 方案设计
- 加入到原有 心跳保活机制 主流程
8.3 总结
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
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
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. 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）
