HTTP長連線和短連線原理淺析

1. HTTP協議與TCP/IP協議的關係

HTTP的長連線和短連線本質上是TCP長連線和短連線。HTTP屬於應用層協議，在傳輸層使用TCP協議，在網路層使用IP協議。IP協議主要解決網路路由和定址問題，TCP協議主要解決如何在IP層之上可靠的傳遞資料包，使在網路上的另一端收到發端發出的所有包，並且順序與發出順序一致。TCP有可靠，面向連線的特點。

2. 如何理解HTTP協議是無狀態的

HTTP協議是無狀態的，指的是協議對於事務處理沒有記憶能力，伺服器不知道客戶端是什麼狀態。也就是說，開啟一個伺服器上的網頁和你之前開啟這個伺服器上的網頁之間沒有任何聯絡。HTTP是一個無狀態的面向連線的協議，無狀態不代表HTTP不能保持TCP連線，更不能代表HTTP使用的是UDP協議（無連線）。

3. 什麼是長連線、短連線？

在HTTP/1.0中，預設使用的是短連線。也就是說，瀏覽器和伺服器每進行一次HTTP操作，就建立一次連線，但任務結束就中斷連線。如果客戶端瀏覽器訪問的某個HTML或其他型別的 Web頁中包含有其他的Web資源，如JavaScript檔案、影像檔案、CSS檔案等；當瀏覽器每遇到這樣一個Web資源，就會建立一個HTTP會話。

但從 HTTP/1.1起，預設使用長連線，用以保持連線特性。使用長連線的HTTP協議，會在響應頭有加入這行程式碼：

Connection:keep-alive

在使用長連線的情況下，當一個網頁開啟完成後，客戶端和伺服器之間用於傳輸HTTP資料的 TCP連線不會關閉，如果客戶端再次訪問這個伺服器上的網頁，會繼續使用這一條已經建立的連線。Keep-Alive不會永久保持連線，它有一個保持時間，可以在不同的伺服器軟體（如Apache）中設定這個時間。實現長連線要客戶端和服務端都支援長連線。

HTTP協議的長連線和短連線，實質上是TCP協議的長連線和短連線。

3.1 TCP連線

當網路通訊時採用TCP協議時，在真正的讀寫操作之前，server與client之間必須建立一個連線，當讀寫操作完成後，雙方不再需要這個連線 時它們可以釋放這個連線，連線的建立是需要三次握手的，而釋放則需要4次握手，所以說每個連線的建立都是需要資源消耗和時間消耗的

經典的三次握手示意圖：

經典的四次握手關閉圖：

3.2 TCP短連線

我們模擬一下TCP短連線的情況，client向server發起連線請求，server接到請求，然後雙方建立連線。client向server 傳送訊息，server回應client，然後一次讀寫就完成了，這時候雙方任何一個都可以發起close操作，不過一般都是client先發起 close操作。為什麼呢，一般的server不會回覆完client後立即關閉連線的，當然不排除有特殊的情況。從上面的描述看，短連線一般只會在 client/server間傳遞一次讀寫操作

短連線的優點是：管理起來比較簡單，存在的連線都是有用的連線，不需要額外的控制手段

3.3 TCP長連線

接下來我們再模擬一下長連線的情況，client向server發起連線，server接受client連線，雙方建立連線。Client與server完成一次讀寫之後，它們之間的連線並不會主動關閉，後續的讀寫操作會繼續使用這個連線。

首先說一下TCP/IP詳解上講到的TCP保活功能，保活功能主要為伺服器應用提供，伺服器應用希望知道客戶主機是否崩潰，從而可以代表客戶使用資源。如果客戶已經消失，使得伺服器上保留一個半開放的連線，而伺服器又在等待來自客戶端的資料，則伺服器將應遠等待客戶端的資料，保活功能就是試圖在服務 器端檢測到這種半開放的連線。

如果一個給定的連線在兩小時內沒有任何的動作，則伺服器就向客戶發一個探測報文段，客戶主機必須處於以下4個狀態之一：

1. 客戶主機依然正常執行，並從伺服器可達。客戶的TCP響應正常，而伺服器也知道對方是正常的，伺服器在兩小時後將保活定時器復位。
2. 客戶主機已經崩潰，並且關閉或者正在重新啟動。在任何一種情況下，客戶的TCP都沒有響應。服務端將不能收到對探測的響應，並在75秒後超時。伺服器總共傳送10個這樣的探測 ，每個間隔75秒。如果伺服器沒有收到一個響應，它就認為客戶主機已經關閉並終止連線。
3. 客戶主機崩潰並已經重新啟動。伺服器將收到一個對其保活探測的響應，這個響應是一個復位，使得伺服器終止這個連線。
4. 客戶機正常執行，但是伺服器不可達，這種情況與2類似，TCP能發現的就是沒有收到探查的響應。

3.4 長連線短連線操作過程

短連線的操作步驟是：

建立連線——資料傳輸——關閉連線...建立連線——資料傳輸——關閉連線

長連線的操作步驟是：

建立連線——資料傳輸...（保持連線）...資料傳輸——關閉連線

4. 長連線和短連線的優點和缺點

由上可以看出，長連線可以省去較多的TCP建立和關閉的操作，減少浪費，節約時間。對於頻繁請求資源的客戶來說，較適用長連線。不過這裡存在一個問題，存活功能的探測週期太長，還有就是它只是探測TCP連線的存活，屬於比較斯文的做法，遇到惡意的連線時，保活功能就不夠使了。在長連線的應用場景下，client端一般不會主動關閉它們之間的連線，Client與server之間的連線如果一直不關閉的話，會存在一個問題，隨著客戶端連線越來越多，server早晚有扛不住的時候，這時候server端需要採取一些策略，如關閉一些長時間沒有讀寫事件發生的連線，這樣可 以避免一些惡意連線導致server端服務受損；如果條件再允許就可以以客戶端機器為顆粒度，限制每個客戶端的最大長連線數，這樣可以完全避免某個蛋疼的客戶端連累後端服務。

短連線對於伺服器來說管理較為簡單，存在的連線都是有用的連線，不需要額外的控制手段。但如果客戶請求頻繁，將在TCP的建立和關閉操作上浪費時間和頻寬。

長連線和短連線的產生在於client和server採取的關閉策略，具體的應用場景採用具體的策略，沒有十全十美的選擇，只有合適的選擇。

5. 什麼時候用長連線，短連線？

長連線多用於操作頻繁，點對點的通訊，而且連線數不能太多情況，。每個TCP連線都需要三步握手，這需要時間，如果每個操作都是先連線，再操作的話那麼處理速度會降低很多，所以每個操作完後都不斷開，次處理時直接傳送資料包就OK了，不用建立TCP連線。例如：資料庫的連線用長連線， 如果用短連線頻繁的通訊會造成socket錯誤，而且頻繁的socket 建立也是對資源的浪費。

而像WEB網站的http服務一般都用短連結，因為長連線對於服務端來說會耗費一定的資源，而像WEB網站這麼頻繁的成千上萬甚至上億客戶端的連線用短連線會更省一些資源，如果用長連線，而且同時有成千上萬的使用者，如果每個使用者都佔用一個連線的話，那可想而知吧。所以併發量大，但每個使用者無需頻繁操作情況下需用短連好。