TCP網路長連線

手機能夠使用聯網功能是因為手機底層實現了TCP/IP協議，可以使手機終端通過無線網路建立TCP連線。TCP協議可以對上層網路提供介面，使上層網路資料的傳輸建立在“無差別”的網路之上。

建立起一個TCP連線需要經過“三次握手”：
第一次握手：客戶端傳送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；
第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也傳送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；
第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN＋ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ack=k+1)，此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。

握手過程中傳送的包裡不包含資料，三次握手完畢後，客戶端與伺服器才正式開始傳送資料。理想狀態下，TCP連線一旦建立，在通訊雙方中的任何一方主動關閉連線之前，TCP 連線都將被一直保持下去。斷開連線時伺服器和客戶端均可以主動發起斷開TCP連線的請求，斷開過程需要經過“四次握手”（過程就不細寫了，就是伺服器和客戶端互動，最終確定斷開）

什麼是心跳

剛才說到長連線建立連線後，理想狀態下是不會斷開的，但是由於網路問題，可能導致一方斷開後，另一方仍然在傳送資料，或者有些客戶端長時間不傳送訊息，伺服器還維持這他的客戶端不必要的引用，增加了伺服器的負荷。因此我們引入了心跳機制。

心跳包之所以叫心跳包是因為：它像心跳一樣每隔固定時間發一次，以此來告訴伺服器，這個客戶端還活著。事實上這是為了保持長連線，至於這個包的內容，是沒有什麼特別規定的，不過一般都是很小的包，或者只包含包頭的一個空包。

總的來說，心跳包主要也就是用於長連線的保活和斷線處理。一般的應用下，判定時間在30-40秒比較不錯。如果實在要求高，那就在6-9秒。

怎麼傳送心跳？

心跳包的傳送，通常有兩種技術

方法1：應用層自己實現的心跳包

由應用程式自己傳送心跳包來檢測連線是否正常，大致的方法是：伺服器在一個 Timer事件中定時 向客戶端傳送一個短小精悍的資料包，然後啟動一個低級別的執行緒，在該執行緒中不斷檢測客戶端的迴應， 如果在一定時間內沒有收到客戶端的迴應，即認為客戶端已經掉線；同樣，如果客戶端在一定時間內沒 有收到伺服器的心跳包，則認為連線不可用。

方法2：TCP的KeepAlive保活機制

因為要考慮到一個伺服器通常會連線多個客戶端，因此由使用者在應用層自己實現心跳包，程式碼較多 且稍顯複雜，而利用TCP／IP協議層為內建的KeepAlive功能來實現心跳功能則簡單得多。 不論是服務端還是客戶端，一方開啟KeepAlive功能後，就會自動在規定時間內向對方傳送心跳包， 而另一方在收到心跳包後就會自動回覆，以告訴對方我仍然線上。 因為開啟KeepAlive功能需要消耗額外的寬頻和流量，所以TCP協議層預設並不開啟KeepAlive功 能，儘管這微不足道，但在按流量計費的環境下增加了費用，另一方面，KeepAlive設定不合理時可能會 因為短暫的網路波動而斷開健康的TCP連線。並且，預設的KeepAlive超時需要7,200，000 MilliSeconds， 即2小時，探測次數為5次。對於很多服務端應用程式來說，2小時的空閒時間太長。因此，我們需要手工開啟KeepAlive功能並設定合理的KeepAlive引數。

心跳檢測步驟：

1客戶端每隔一個時間間隔發生一個探測包給伺服器
2客戶端發包時啟動一個超時定時器
3伺服器端接收到檢測包，應該回應一個包
4如果客戶機收到伺服器的應答包，則說明伺服器正常，刪除超時定時器
5如果客戶端的超時定時器超時，依然沒有收到應答包，則說明伺服器掛了

C#實現的一個簡單的心跳

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
 
namespace ConsoleApplication1
{
  // 客戶端離線委託
  public delegate void ClientOfflineHandler(ClientInfo client);
 
  // 客戶端上線委託
  public delegate void ClientOnlineHandler(ClientInfo client);
 
  public class Program
  {
    /// <summary>
    /// 客戶端離線提示
    /// </summary>
    /// <param name="clientInfo"></param>
    private static void ClientOffline(ClientInfo clientInfo)
    {
      Console.WriteLine(String.Format("客戶端{0}離線，離線時間：\t{1}",clientInfo.ClientID,clientInfo.LastHeartbeatTime));
    }
 
    /// <summary>
    /// 客戶端上線提示
    /// </summary>
    /// <param name="clientInfo"></param>
    private static void ClientOnline(ClientInfo clientInfo)
    {
      Console.WriteLine(String.Format("客戶端{0}上線，上線時間：\t{1}",clientInfo.LastHeartbeatTime));
    }
 
    static void Main()
    {
      // 服務端
      Server server = new Server();
 
      // 服務端離線事件
      server.OnClientOffline += ClientOffline;
 
      // 伺服器上線事件
      server.OnClientOnline += ClientOnline;
 
      // 開啟伺服器
      server.Start();
 
      // 模擬100個客戶端
      Dictionary<Int32,Client> dicClient = new Dictionary<Int32,Client>();
      for (Int32 i = 0; i < 100; i++)
      {
        // 這裡傳入server只是為了方便而已
        Client client = new Client(i + 1,server);
        dicClient.Add(i + 1,client);
 
        // 開啟客戶端
        client.Start();
      }
 
      System.Threading.Thread.Sleep(1000);
 
      while (true)
      {
        Console.WriteLine("請輸入要離線的ClientID,輸入0則退出程式:");
        String clientID = Console.ReadLine();
        if (!String.IsNullOrEmpty(clientID))
        {
          Int32 iClientID = 0;
          Int32.TryParse(clientID,out iClientID);
          if (iClientID > 0)
          {
            Client client;
            if (dicClient.TryGetValue(iClientID,out client))
            {
              // 客戶端離線
              client.Offline = true;
            }
          }
          else
          {
            return;
          }
        }
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 服務端
  /// </summary>
  public class Server
  {
    public event ClientOfflineHandler OnClientOffline;
    public event ClientOnlineHandler OnClientOnline;
 
    private Dictionary<Int32,ClientInfo> _DicClient;
 
    /// <summary>
    /// 建構函式
    /// </summary>
    public Server()
    {
      _DicClient = new Dictionary<Int32,ClientInfo>(100);      
    }
 
    /// <summary>
    /// 開啟服務端
    /// </summary>
    public void Start()
    {
      // 開啟掃描離線執行緒
      Thread t = new Thread(new ThreadStart(ScanOffline));
      t.IsBackground = true;
      t.Start();
    }
 
    /// <summary>
    /// 掃描離線
    /// </summary>
    private void ScanOffline()
    {
      while (true)
      {
        // 一秒掃描一次
        System.Threading.Thread.Sleep(1000);
 
        lock (_DicClient)
        {
          foreach (Int32 clientID in _DicClient.Keys)
          {
            ClientInfo clientInfo = _DicClient[clientID];
 
            // 如果已經離線則不用管
            if (!clientInfo.State)
            {
              continue;
            }
 
            // 判斷最後心跳時間是否大於3秒
            TimeSpan sp = System.DateTime.Now - clientInfo.LastHeartbeatTime;
            if (sp.Seconds >= 3)
            {
              // 離線，觸發離線事件
              if (OnClientOffline != null)
              {
                OnClientOffline(clientInfo);
              }
 
              // 修改狀態
              clientInfo.State = false;
            }
          }
        }
      }
    }
 
    /// <summary>
    /// 接收心跳包
    /// </summary>
    /// <param name="clientID">客戶端ID</param>
    public void ReceiveHeartbeat(Int32 clientID)
    {
      lock (_DicClient)
      {
        ClientInfo clientInfo;
        if (_DicClient.TryGetValue(clientID,out clientInfo))
        {
          // 如果客戶端已經上線，則更新最後心跳時間
          clientInfo.LastHeartbeatTime = System.DateTime.Now;
        }
        else
        {
          // 客戶端不存在，則認為是新上線的
          clientInfo = new ClientInfo();
          clientInfo.ClientID = clientID;
          clientInfo.LastHeartbeatTime = System.DateTime.Now;
          clientInfo.State = true;
 
          _DicClient.Add(clientID,clientInfo);
 
          // 觸發上線事件
          if (OnClientOnline != null)
          {
            OnClientOnline(clientInfo);
          }
        }
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 客戶端
  /// </summary>
  public class Client
  {
    public Server Server;
    public Int32 ClientID;
    public Boolean Offline;
 
    /// <summary>
    /// 建構函式
    /// </summary>
    /// <param name="clientID"></param>
    /// <param name="server"></param>
    public Client(Int32 clientID,Server server)
    {
      ClientID = clientID;
      Server = server;
      Offline = false;
    }
 
    /// <summary>
    /// 開啟客戶端
    /// </summary>
    public void Start()
    {
      // 開啟心跳執行緒
      Thread t = new Thread(new ThreadStart(Heartbeat));
      t.IsBackground = true;
      t.Start();
    }
 
    /// <summary>
    /// 向伺服器傳送心跳包
    /// </summary>
    private void Heartbeat()
    {
      while (!Offline)
      {
        // 向服務端傳送心跳包
        Server.ReceiveHeartbeat(ClientID);
         
        System.Threading.Thread.Sleep(1000);
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 客戶端資訊
  /// </summary>
  public class ClientInfo
  {
    // 客戶端ID
    public Int32 ClientID;
 
    // 最後心跳時間
    public DateTime LastHeartbeatTime;
 
    // 狀態
    public Boolean State;
  }
}

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