《即時訊息技術剖析與實戰》學習筆記8——IM系統如何保證長連線的可用性
假設有以下突發意外情況：
- 使用者進入訊號不好的地方，手機沒有網路訊號了
- 上網的路由器突然掉線了
這個時候，比如微信發訊息，訊息就會轉圈圈，甚至變成紅色歎號……
上面情況都會導致“長連線”不可用。
我們知道，為了讓訊息能更加實時、可靠、快速地觸達到接收方，大部分 IM 系統會通過“長連線”的方式來建立收發雙方的通訊通道，長連線一旦建立，就一直存在，除非網路被中斷。
有了這基於 TCP 長連線的通訊協議，在使用者上線連線時，可以在服務端維護好連線到伺服器的使用者裝置和具體 TCP 連線的對映關係，服務端也能通過這個對映關係隨時找到對應線上的使用者的客戶端。對於傳送方來說，傳送訊息也能通過“長連線”通道把訊息給到 IM 服務端。
一、什麼是心跳機制
但長連線並不是永久可用的，當長連線在中間鏈路出問題時，為了不使使用者感知到，應快速通知連線的兩端，並重新建立新的可用連線，從而使長連線一直保持“高可用”狀態，這個能夠快速、不間斷識別連線可用性的機制，稱為“心跳機制”。
“心跳機制”會持續地往連線傳送“模擬資料”，一方面是為了試探連線的可用性，另一方面也是為了保證資料的持續流通，讓連線在沒有真正業務資料收發的情況下，不會被中間的網路運營商以為連線沒有被使用而切斷連線。
二、心跳機制的優點
1. 降低服務端開銷
訊息之所以能夠實現“服務端推送”，是因為針對每一臺上線的裝置，都會在 IM 服務端維護相應的 使用者裝置<->網路連線
若沒有心跳機制，當長連線異常而 IM 服務端無法感知到，會產生兩種不良後果：
- 無效的長連線一直在被維護，不管是連線控制代碼，還是快取大量“對映關係”、“裝置狀態”等資訊，都會導致資源浪費；
- 向無效連線推送訊息，以及後續的重試推送，都會降低服務的整體效能。
2. 支援客戶端斷線重連
當客戶端和 IM 服務端之間的網路在中間某些環節斷開，或伺服器負載過高，則會出現客戶端在一定的超時時間內，發出的心跳包得不到 IM 服務端響應的現象，這時客戶端就可以認為和服務端的長連線不可用，自動斷線重連，保持長連線的可用性。
3. 連線保活
即使使用者網路和中間路由網路都正常，若一直沒有資料收發，運營商就會將這個長連線清除掉，來降低自身閘道器的壓力，這個清除動作不會被客戶端和 IM 服務端感知到，為了避免被運營商幹掉，客戶端會在沒有訊息收發的空閒時間給服務端傳送心跳包，使長連線存活時間更長。
三、心跳檢測的方式
1. TCP Keepalive
Keepalive 並不是 TCP 協議的一部分，但大多數作業系統都實現了這個機制，作業系統預設是關閉這個特性的，需要由應用層來開啟。TCP 的 keepalive 會在連線空閒期按一定的頻次，自動傳送不攜帶資料的探測報文，來探測對方是否存活。
Keepalive 預設是關閉的，開啟 Keepalive 需要在 TCP 的 socket 中單獨開啟，作業系統層面有三個引數影響到 Keepalive 的行為：
tcp_keepalive_time 7200 // 心跳週期：距離上次傳送資料多少時間未收到新報文判斷為開始檢測，單位秒，預設7200s
tcp_keepalive_intvl 75 // 超時時間：檢測開始每多少時間傳送心跳包，單位秒，預設75s
tcp_keepalive_probes 9 // 失敗後重試次數：傳送幾次心跳包對方未響應則close連線，預設9次優點：
- 易用性好：作為系統層 TCP/IP 協議層的已有實現，不需要其他開發工作量，上層應用只需要處理探測後的連線異常情況即可。
- 網路消耗小：心跳包不攜帶資料，頻寬資源浪費少。
缺點：
- 心跳間隔靈活性差：一臺伺服器某一時間只能調整為固定間隔的心跳。
- 結果反映差：可以探測網路連線層的存活，但並不代表真正的應用層處於可用狀態，即網路仍然是通的，但應用已不可用。
2. 應用層心跳
應用層心跳實際上是客戶端每隔一定時間間隔，向 IM 服務端傳送一個業務層的資料包告知自身存活。如果 IM 服務端在一定時間內沒有收到心跳包，就認定客戶端由於某種原因連線不可達了，此時就會從 IM 服務端把這個連線斷開，同時清除相應分配的其他資源。
優點：
- 心跳間隔靈活性強：應用層心跳可以根據實際網路的情況，來靈活設定心跳間隔，節省網路流量。
- 結果反饋準：由於需要在應用層進行傳送和接收的處理，不僅能代表網路可用，更能反映應用的可用性。
缺點：
- 額外的資料傳輸開銷（非常小）。
- 實現邏輯根據心跳策略而定，有的實現起來略複雜。
3. 智慧心跳
心跳間隔能夠根據網路環境自動調整，逐步逼近 NAT 超時臨界點，在保證 NAT 不超時的情況下儘量節約裝置資源，常見的有二分法。但需要權衡使用。
四、小結
- 能夠快速、不間斷識別連線可用性的機制，稱為“心跳機制”。
- 心跳機制可以降低服務端連線維護無效連線的開銷，支援客戶端快速識別無效連線、自動斷線重連，連線保活，避免被運營商 NAT 超時斷開。
- 心跳可以使用 TCP Keepalive、應用層心跳等方式來檢測，前者可探測網路連線可用性，後者可探測網路和服務的可用性。