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正文
上一篇文章《Android 架構之網路框架（上）》中，我們談過了網路框架OkHttp、網路加速方案如HttpDNS、資料壓縮與序列化等技術點。本文我們結合騰訊Mars框架和美團Shark體系等業內主流長連線方案，談一談長連線技術的各個方面。
本文會包括下面的技術點：
- 長連線與Http短連線、Keep-Alive傻傻分不清
- 你為什麼需要長連線
- 長連線何時會斷開
- 如何建立穩定長連線
- Mars智慧心跳機制
- 長連線資料協議及加密
- 長連線通道建設及容災
除了大家常用的Http短連線，大型App幾乎都會搭建一套完整的TCP長連線網路通道。我們先來看下美團Shark長連線的線上資料：
圖片來源 《美團點評行動網路優化實踐》
上面兩張圖片對比了長/短連線的成功率和網路延時資料，這兩個是網路模組最重要的衡量指標。可以看出，無論是成功率，還是網路延時，長連線都明顯優於短連線。
另外，大家都知道微信的訊息收發非常即時，這便歸功於背後穩定高可用的長連線系統。實際上，微信除了訊息收發，其他的小資料通訊都是通過長連線來實現的。
下面我們來講解一些長連線的一些核心技術點。
I. 長連線與Http短連線、Keep-Alive傻傻分不清
為防止大家對於長連線和短連線混淆，這裡先簡單說明下幾點區別。
長連線 vs Http短連線
這兩者分別對應的是TCP協議層的長連線和短連線。
大家都知道，TCP會通過三次握手，建立與服務端的連線，然後傳遞資料，只不過短連線在資料傳輸完後，會主動關閉連線，而長連線會繼續保持這條連線，後續的資料讀寫繼續使用這條連線。
長連線 vs Http的Keep-Alive
上一篇文章中提到了連線複用，通過Http1.1的Keep Alive欄位，我們可以讓一條Http連線保持不被立即關閉。有些同學這時就疑惑了，是不是長連線就是Keep Alive呢？
其實不是的。長連線我們也叫TCP長連線，它是架設在TCP協議上的，而上面說的Keep Alive是Http協議的內容，連協議都不同，兩者自然不是一個東西。
開啟了Keep Alive是Http連線，我們也稱之為持久連線，和長連線並不同。感興趣可參考此文：《TCP 進階》。
TCP的Keep-Alive vs Http的Keep-Alive
提到Keep Alive，有些同學就會問了，TCP協議裡也有一個Keep Alive，它和Http協議裡的Keep Alive有什麼區別嗎？
二者的用處並不同。Http協議在完成一個請求後，伺服器會自動關閉連線。這時，可以在請求裡帶上一個Keep Alive給伺服器，告訴伺服器不要立即關閉連線，我還想繼續複用這條連線；而對TCP協議層而言，是不會自動斷開的，但這也帶來了一個問題，萬一由於某些外部原因導致連線斷開，那我如何知道連線已失效呢？TCP會在2個小時間隔後，自動傳送一個Keep Alive資料包給服務端，探測一下伺服器是否還在響應。它的功能類似心跳包，只是間隔太長，不適合做真正的心跳包。
II. 你為什麼需要長連線
那麼，相比Http短連線，長連線技術能帶來什麼好處呢？
1. 不同域名的請求可以複用同一個長連線通道
以前我們不同域名的請求，需要做對應的DNS請求，然後建立對應的Http連線。上篇文章裡說的Http連線池在不同域名下不可複用，需要重新建立連線。這些都是一些資源開銷，但是如果通過長連線通道，那域名只是這個請求裡的一個欄位，可以直接複用同一條長連線通道。
2. 不依賴DNS，無DNS耗時和劫持等問題
上文中我們提到了HttpDNS，雖然它比系統DNS更優，但終歸還是要做DNS操作。而長連線都是IP直接連線，因此沒有DNS相關的開銷和耗時。
3. 如果有大量網路請求，可以明顯減少網路延時，節省頻寬
對於大型App而言，存在繁多密集的網路請求，這中間就會存在非常多次的Http斷開和重新連線，浪費了很多時間和頻寬。而通過長連線通道的話，則沒有這部分耗時，直接傳輸二進位制資料即可，節省了每次連線裡Header之類的頻寬開銷。
4. 服務端主動Push資料到客戶端
對於上面提到的微信訊息接收等場景，如果需要客戶端主動去輪詢，則會頻繁發起請求，對於伺服器會產生很大的負載壓力，浪費頻寬流量。而通過長連線，服務端可以主動把訊息下發給客戶端，做到最高實時性，且節省流量。
III. 長連線何時會斷開？
正常而言，長連線是不會斷開的。大家可以自己試一試，兩個socket建立連線，只要網路不變、一切正常，那麼這兩個socket可以一直互相傳送資料，不會斷開。
但是，在行動網路下，網路狀態複雜多變，比如網路線路被切斷、伺服器當機等，都會導致長連線中斷。除了這些線路異常外，我們需要關注下面幾個長連線斷開原因：
1. 長連線所在程式被殺
這個很容易理解，如果我們的App切換到後臺，那麼系統隨時可能將我們的App殺掉，這時長連線自然也就隨之斷開。
2. 使用者切換網路
比如手機網路斷開，或者發生Wi-Fi和蜂窩資料切換，這時會導致手機IP地址變更。而我們知道，TCP連線是基於IP + Port的，一旦IP變更，TCP連線自然也就失效了，或者說長連線也就相當於斷開了。
3. 系統休眠等導致NAT超時
這裡對NAT簡單解釋下，方便有的同學不太瞭解。當手機連線上網路時，閘道器會給我們分配一個IP地址，這個其實是內網IP，此時還未真正連線上公網，也連線不上伺服器；如果想要連線公網，需要運營商將我們的內網IP對映成一個公網IP，有了公網IP，伺服器就能與我們建立連線了。NAT指的就是這個對映過程。
也就是說，運營商會給每臺裝置分配一個公網IP，類似一張通訊證。不過，隨著連線網路的裝置不斷增多，閘道器負載也會不斷加大，這時，運營商就會對一些不太活躍的裝置進行公網IP回收了，如果下次這個裝置需要連網，那就重新分配一個IP即可。
看似沒問題，但實際上，如果我們的App在一段時間不活躍，發生了NAT超時，便會導致我們的公網IP失效，長連線也隨之失效了。
4. DHCP 租期
DHCP 租期過期，如果沒有及時續約，同樣會導致IP地址失效。
綜合而言，長連線在正常情況下是不會斷開的，但是，一旦手機的IP地址失效，這時就不得不重新建立連線了。
IV. 如何建立穩定長連線？
上面我們提到了多種長連線斷開的原因，那我們應該如何進行優化，儘可能保證長連線不斷開，或者及時斷開了，也要儘快重連呢？
1. Mars長連線獨立程式
為了減少程式被殺的機率，在Mars的Demo程式碼裡我們可以看到，它將長連線邏輯單獨提取到了一個獨立的程式裡。這個程式只做網路互動，消耗的記憶體等資源自然較少，從而減少了被系統回收的概率。
2. 長連線程式復活
程式被殺難以避免，不過可以通過AlarmReceiver、 ConnectReceiver、BootReceiver，達到程式的及時喚醒。
當然，程式保活是一個比較大的話題，而且不恰當的程式保活也會對系統體驗造成危害。這裡就不深究了。
3. 心跳機制
對於心跳包很多人誤以為只是用來定期告訴服務端我們的狀態，實際並非如此。
上面我們提到了 NAT 超時，即如果App一段時間內不活躍，會導致運營商那裡刪除我們的公網IP對映關係，這會導致我們的TCP長連線斷開。因此，我們需要通過心跳機制來保證App的活躍度，防止發生 NAT 超時。
4. 斷開重連
線上上執行時，長連線很有可能會由於網路切換之類的原因斷開。這時，我們需要儘快發現長連線斷開，並立即重連。一般有下面幾種做法：
- 建立Receiver，監控網路狀態，如果網路發生切換則立即重連；
- 監控服務端心跳包回包，如果連續5次沒有收到回包，則認為長連線已經失效；
- 設定心跳包超時限制，如果超過時間還沒有收到心跳回包，則重連，這種方式比較耗電；
- 等socket IO異常丟擲，不過耗時太長，需要15s左右才能發現。
V. Mars智慧心跳機制
1. 固定心跳機制
上面我們說了，心跳機制主要是為了防止 NAT 超時，外網IP地址失效。因此，一般的做法就是在NAT失效前，保證有心跳包發出。或者說，客戶端應當以略小於NAT超時時間的間隔來傳送心跳包。
早期的微信的心跳是4.5分鐘傳送一次心跳，可以不錯的執行。
2. Mars智慧心跳策略
在儘量不影響使用者收訊息及時性的前提下，根據網路型別自適應的找出保活信令TCP連線的儘可能大的心跳間隔，從而達到減少安卓微信因心跳引起的空中通道資源消耗，減少心跳Server的負載，以及減少部分因心跳引起的耗電。
自適應心跳
因此，在固定心跳機制下，微信又研究了一套動態計算心跳的方案，動態的探測最大的NAT超時時間，然後選定合適的心跳間隔區間去傳送心跳包。這裡說一下大致思路：
首先，如果心跳間隔越久，產生的負載和消耗也會越小。因此微信採用了自適應心跳：當找到一個有效心跳間隔後，我們主動去加大這個間隔，然後測試是否能成功，如果不能，則使用比上一次成功間隔稍短的時間作為間隔；否則繼續加大間隔，直到找到可用的有效間隔。
那麼，如何判斷一個心跳間隔有效呢？微信採用的方案是使用固定短心跳直到滿足三次連續短心跳成功，則認為這個間隔有效。
探測過程大致為：60秒短心跳，連續發3次後開始探測，90，120，150，180，210，240，270
前後臺策略
另外，考慮到App在前後臺對於長連線的需求是不同的。因此當微信在前臺活躍態時，採用了固定心跳機制；在前臺熄屏態或者後臺活躍態（進入後臺10分鐘內）時，先用幾次最小心跳維持長連線，然後進入自適應心跳機制；在後臺穩定態（超過10分鐘），則採用自適應心跳計算出來的最大心跳作為固定值。
如果在執行過程中，發生了心跳失敗，則進行重連。同時將心跳間隔調整為斷線前間隔減去20s，重新走自適應心跳；如果連續5次均失敗，則以初始心跳180s繼續測試。
Alarm對齊策略
對於Android系統而言，為了減少頻繁喚醒系統導致的電量損耗，提供了Alarm對齊喚醒機制：把一定時間段內的多次Alarm喚醒合併成一次，減少系統被喚醒次數，增加待機時間。
而我們的心跳包就是需要在定時結束後自動觸發一次心跳包的傳送，因此，在Mars裡面的心跳時間也是按照Alarm對齊時間來做心跳間隔，減少電量損耗。
其他
對於微信心跳策略感興趣的話可以閱讀文末的參考文獻，程式碼可以參考smart_heartbeat。
VI. 長連線資料協議及加密
長連線傳遞的是二進位制資料，前後端可以自行協商每個位元組要存放的內容即可。當然，也可以考慮採用一些通用協議：比如SMTP、ProtoBuf等序列化方案。
參考文章：《一個基於TCP/WebSockets的超級精簡的長連線訊息協議》.
另外，在資料加密方面，可以結合非對稱加密演算法RSA和對稱加密演算法AES來對資料進行加密傳輸。
這一點不是本文的重點，不做過多贅述。
VII. 長連線通道建設及容災
上面講了長連線的優勢，那我們該如何搭建整個長連線通道呢？這裡我們以美團的長連線通道為例子進行說明，各大廠的方案也是類似的。
- 客戶端與代理長連伺服器建立長連線，代理伺服器可全國多地部署，在建立長連時可以選擇最近的伺服器IP就近接入；
- 長連線建立好後，客戶端對要傳送的二進位制資料進行加密並傳輸；
- 代理伺服器收到後，可以通過內部專線或普通Http請求來訪問業務伺服器；
- 如果長連線出現問題導致不可用，為保障客戶端執行，需要立即降級成普通Http短連或者UDP通道。
小結
本文結合了國內大廠如騰訊、美團等長連線框架，針對長連線這個技術點做了完整的介紹和剖析，如有不對或疑問，歡迎留言。
謝謝。
wingjay
《億級Android架構》小專欄介紹
業務的快速增長離不開穩定可靠的架構。《億級Android架構》小專欄會基於作者實際工作經驗，結合國內大廠如阿里、騰訊、美團等基礎架構現狀，嘗試談談如何設計一套好的架構來支援業務從0到1，甚至到億，希望與大家多多探討。
本專欄主要內容：
- 當前大廠有哪些Android架構；
- 這些架構能解決什麼問題；
- 這些架構的原理是什麼；
- 學習這些架構對我們自身的意義。
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參考：
《Android端訊息推送總結：實現原理、心跳保活、遇到的問題等》
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