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netty长（短）连接，心跳检测

本文转载自  查看原文  2021-06-29 23:24  183    面试/ 网络io/ netty

title: netty长连接，短连接，心跳检测
date: 2018/4/23 11:12:55
tags: [netty,长连接,短连接,心跳检测]
categories:

  • 开发
  • java

https://www.cnblogs.com/superfj/p/9153776.html

短连接

定义

client与server通过三次握手建立连接，client发送请求消息，server返回响应，一次连接就完成了。

这时候双方任意都可以发起close操作，不过一般都是client先发起close操作。上述可知，短连接一般只会在 client/server间传递一次请求操作。

短连接的优缺点

管理起来比较简单，存在的连接都是有用的连接，不需要额外的控制手段。

使用场景

通常浏览器访问服务器的时候就是短连接。

对于服务端来说，长连接会耗费服务端的资源，而且用户用浏览器访问服务端相对而言不是很频繁的

如果有几十万，上百万的连接，服务端的压力会非常大，甚至会崩溃。

所以对于并发量大，请求频率低的，建议使用短连接。

长连接

什么是长连接

client向server发起连接，server接受client连接，双方建立连接。

Client与server完成一次读写之后，它们之间的连接并不会主动关闭，后续的读写操作会继续使用这个连接。

生命周期

  • 正常情况下，一条TCP长连接建立后，只要双不提出关闭请求&不出现异常情况，这条连接是一直存在.

  • 操作系统不会自动去关闭它，甚至经过物理网络拓扑的改变之后仍然可以使用。

  • 所以一条连接保持几天、几个月、几年或者更长时间都有可能，只要不出现异常情况或由用户（应用层）主动关闭。客户端和服务单可一直使用该连接进行数据通信。

优缺点

优点

  • 长连接可以省去较多的TCP建立和关闭的操作，减少网络阻塞的影响，

  • 当发生错误时，可以在不关闭连接的情况下进行提示，

  • 减少CPU及内存的使用，因为不需要经常的建立及关闭连接。

缺点

  • 连接数过多时，影响服务端的性能和并发数量

使用场景

  • 数据库的连接就是采用TCP长连接.
  • RPC一个服务进程频繁调用另一个服务进程，可使用长连接，减少连接花费的时间。

特殊的长连接模式

一种比较特殊的长连接模式，在一段时间内，“数据中心”与设备之间数据交互频繁，但是过了这段时间，很长一段时间内，都没有任何数据需要交互的情况下，最好的办法就是：在交互频繁的那段时间，保持长连接 ，一旦过了那段时间，立马断开连接，下次需要交互时，再获取连接即可，这种方式，主要可以为“数据中心”服务器节省资源的浪费。

第三种情况的使用，需要考虑两个问题：

  • 如果客户端或者“数据中心”，连接超时，无数据交互后，如何去断开连接？
  • 客户端主动断开连接，很好办，下次需要再连接即可，那么如果是“数据中心”主动断开连接了，客户端应该如何去与“数据中心”再次建立连接？

长连接模式下，维护连接的方案：

如果是长连接的情况下，一般我们都需要做连接的维护工作，方案主要有以下两种：

1、客户端间隔5分钟，向服务器发起一次“心跳”报文，如果服务器正常回应，那就无所谓，如果不回应，一般就直接断开“连接”，然后重新向服务器再次申请新的连接即可。

2、客户端或者服务端开启一个定时任务，间隔5分钟，判断在这5分钟内，是否有向服务器交互数据，如果有交互，那么就继续维护这个连接，如果没有交互，那么就直接断开连接即可，下次再需要交互时，再向服务器申请新的连接即可。这样做的好处，是给服务器减压

客户端如果主动自己断开，这个一般不需要做特殊处理，直接在下次连接时，申请新的连接即可。

服务器如果自己因为什么原因，断开了，那么客户端，需要定义一个定时任务，间隔10分钟，或者多少时间，去不断的尝试服务器是否恢复。

长连接的实现

心跳机制

应用层协议大多都有HeartBeat机制，通常是客户端每隔一小段时间向服务器发送一个数据包，通知服务器自己仍然在线。并传输一些可能必要的数据。使用心跳包的典型协议是IM，比如QQ/MSN/飞信等协议。

TCP . SO_KEEPALIVE。系统默认是设置的2小时的心跳频率。但是它检查不到机器断电、网线拔出、防火墙这些断线。而且逻辑层处理断线可能也不是那么好处理。一般，如果只是用于保活还是可以的。

Why心跳机制？

  • 网络的不可靠性
    • 有可能在 TCP 保持长连接的过程中, 由于某些突发情况,（网线被拔出, 突然断电等）,会造成连接中断
    • 在这些突发情况下, 如果恰好服务器和客户端之间没有交互的话, 那么它们是不能在短时间内发现对方已经掉线的.心跳机制即可解决此类问题。

TCP协议的KeepAlive机制

默认KeepAlive状态是不打开的。

需要将setsockopt将SOL_SOCKET.SO_KEEPALIVE设置为1才是打开KeepAlive状态，

并且可以设置三个参数：

tcp_keepalive_time ，tcp_keepalive_probes ， tcp_keepalive_intvl，

分别表示：连接闲置多久开始发keepalive的ack包、发几个ack包不回复才当对方已断线、两个ack包之间的间隔。

很多网络设备，尤其是NAT路由器，由于其硬件的限制（例如内存、CPU处理能力），无法保持其上的所有连接，因此在必要的时候，会在连接池中选择一些不活跃的连接踢掉。

典型做法是LRU，把最久没有数据的连接给T掉。

通过使用TCP的KeepAlive机制（修改那个time参数），可以让连接每隔一小段时间就产生一些ack包，以降低被踢掉的风险，当然，这样的代价是额外的网络和CPU负担。

如何实现心跳机制

两种方式实现心跳机制:

  • 使用 TCP 协议层面的 keepalive 机制.
  • 在应用层上实现自定义的心跳机制.

虽然在 TCP 协议层面上, 提供了 keepalive 保活机制, 但是使用它有几个缺点:

  1. 它不是 TCP 的标准协议, 并且是默认关闭的.
  2. TCP keepalive 机制依赖于操作系统的实现, 默认的 keepalive 心跳时间是 两个小时, 并且对 keepalive 的修改需要系统调用(或者修改系统配置), 灵活性不够.
  3. TCP keepalive 与 TCP 协议绑定, 因此如果需要更换为 UDP 协议时, keepalive 机制就失效了.

使用 TCP 层面的 keepalive 机制比自定义的应用层心跳机制节省流量,

Netty心跳和断线重连

https://github.com/JayTange/LearnTCP

IdleStateHandler

//构造函数
public IdleStateHandler(
    long readerIdleTime, long writerIdleTime, long allIdleTime,
    TimeUnit unit) {
    this(false, readerIdleTime, writerIdleTime, allIdleTime, unit);
}

//HeartBeatServer.java(服务端)

serverBootstrap.childHandler(new HeartBeatServerInitializer());

private class HeartBeatServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    
      @Override
        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
            // 监听读操作,读超时时间为5秒，超过5秒关闭channel;
            pipeline.addLast("ping", new IdleStateHandler(READ_WAIT_SECONDS, 0, 0, TimeUnit.SECONDS));
            pipeline.addLast("decoder", new StringDecoder());
            pipeline.addLast("encoder", new StringEncoder());

            pipeline.addLast("handler", new HeartbeatServerHandler());
        }
}
  • readerIdleTimeSeconds, 读超时. 即当在指定的时间间隔内没有从 Channel 读取到数据时, 会触发 IdleStateEvent 事件(READER_IDLE)
  • writerIdleTimeSeconds, 写超时. 即当在指定的时间间隔内没有数据写入到 Channel 时, 会触发一个IdleStateEvent 事件(WRITE_IDLE)
  • allIdleTimeSeconds, 读和写都超时. 即当在指定的时间间隔内没有读并且写操作时, 会触发一个 ALL_IDLE 的 IdleStateEvent 事件.
// HeartBeatServerHandler.java extends SimpleChannelInboundHandler<T>
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
    if (evt instanceof IdleStateEvent) {
        IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
        if (event.state()==IdleState.READER_IDLE){
            // 失败计数器次数大于等于3次的时候，关闭链接，等待client重连
            if (unRecPingTimes >= MAX_UN_REC_PING_TIMES) {
                System.out.println("===>服务端===(读超时，关闭chanel)");
                // 连续超过N次未收到client的ping消息，那么关闭该通道，等待client重连
                ctx.close();
            } else {
                // 失败计数器加1
                unRecPingTimes++;
            }
        }else {
            super.userEventTriggered(ctx,evt);
        }
    }
}


@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    super.channelActive(ctx);
    System.out.println("一个客户端已连接");
}
@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    super.channelInactive(ctx);
    System.out.println("一个客户端已断开连接");
}

客户端HeartBeatClient

// 客户端
public class HeartBeatClient {

    private Random random = new Random();
    public Channel channel;
    public Bootstrap bootstrap;

    protected String host = "127.0.0.1";
    protected int port = 9817;

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        HeartBeatClient client = new HeartBeatClient();
        client.run();
        client.sendData();

    }

    public void run() throws Exception {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(group)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new SimpleClientInitializer(HeartBeatClient.this));
            doConncet();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 发送数据
     * @throws Exception
     */
    public void sendData() throws Exception {
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        while (true){
            String cmd = in.readLine();
            switch (cmd){
                case "close" :
                    channel.close();
                    break;
                default:
                channel.writeAndFlush(in.readLine());
                    break;
            }
        }
    }

    /**
     * 连接服务端
     */
    public void doConncet() {
        if (channel != null && channel.isActive()) {
            return;
        }
        ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect(host, port);
        channelFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture futureListener) throws Exception {
                if (channelFuture.isSuccess()) {
                    channel = futureListener.channel();
                    System.out.println("connect server successfully");
                } else {
                    System.out.println("Failed to connect to server, try connect after 10s");
                    futureListener.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            doConncet();
                        }
                    }, 10, TimeUnit.SECONDS);
                }
            }
        });

    }


    private class SimpleClientInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

        private HeartBeatClient client;

        public SimpleClientInitializer(HeartBeatClient client) {
            this.client = client;
        }

        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
            pipeline.addLast(new IdleStateHandler(0, 5, 0));
            pipeline.addLast("encoder", new StringEncoder());
            pipeline.addLast("decoder", new StringDecoder());
            pipeline.addLast("handler", new HeartBeatClientHandler(client));
        }
    }

}

HeartBeatClientHandler

客户端handler

public class HeartBeatClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String>{
    private HeartBeatClient client;

    private SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:dd");

    private static final ByteBuf HEARTBEAT_SEQUENCE = Unpooled.unreleasableBuffer(Unpooled.copiedBuffer("Heartbeat",
            CharsetUtil.UTF_8));

    public HeartBeatClientHandler(HeartBeatClient client) {
        this.client = client;
    }
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {
        System.out.println("收到服务端回复："+msg);
        if (msg.equals("Heartbeat")) {
            ctx.write("has read message from server");
            ctx.flush();
        }
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }

    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        if (evt instanceof IdleStateEvent) {
            IdleState state = ((IdleStateEvent) evt).state();
            if (state == IdleState.WRITER_IDLE) {
                ctx.writeAndFlush(HEARTBEAT_SEQUENCE.duplicate());
            }
        } else {
            super.userEventTriggered(ctx, evt);
        }
    }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        super.channelInactive(ctx);
        System.err.println("客户端与服务端断开连接,断开的时间为："+format.format(new Date()));
        // 定时线程 断线重连
        final EventLoop eventLoop = ctx.channel().eventLoop();
        eventLoop.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                client.doConncet();
            }
        }, 10, TimeUnit.SECONDS);
    }

}

长连接优化

https://www.jianshu.com/p/54f9bfcd054b

物联网（IoT ) 时代

internet of things 飞速发展，对服务端的协议接入和处理能力要求极高，而且IoT设备接入它有以下特点

  1. 使用移动网络（Wifi），网络质量不稳定
  2. 海量接入，而且是长连接，服务端压力大
  3. 不稳定，消息丢失，重发，延迟，过期发送时有发生
  4. 协议不统一，私有协议 ，开发测试成本高

长连接海量接入优化方向

以下这些调优，都属于小方法，小技巧，如果系统对性能要求很高，最优的还是采用分布式集群的方式来提升整个服务端的处理能力。

要想实现海量设备的长连接接入，需要对

  • 操作系统相关参数
  • Netty框架、JVM GC参数
  • 业务代码针对性的优化
  • 甚至各种优化要素互相影响
操作系统层面
文件描述符

在 /etc/sysctl.conf 插入 fs.file-max = 1000000

设置单进程打开的最大句柄数

TCP/IP相关参数
多网卡队列软中断
Netty调优
线程优化
  • boss线程池优化
    对于Netty服务端，通常只需要启动一个监听端口用于端侧设备接入，但是如果集群实例较少，甚至是单机部署，那么在短时间内大量设备接入时，需要对服务端的监听方式和线程模型做优化，即服务端监听多个端口，利用主从Reactor线程模型。由于同时监听了多个端口，每个ServerSocketChannel都对应一个独立的Acceptor线程，这样就能并行处理，加速端侧设备的接人速度，减少端侧设备的连接超时失败率，提高单节点服务端的处理性能。
  • work线程池优化（I/O工作线程池）
    对于I/O工作线程池的优化，可以先采用系统默认值（cpu内核数*2）进行性能测试，在性能测试过程中采集I/O线程的CPU占用大小，看是否存在瓶颈，具体策略如下：
心跳优化

心跳检测周期通常不要超过60s，心跳检测超时通常为心跳检测周期的2倍

接发缓冲区调优

.childOption(channelOption.SO_RCVBUF, 8*1024)

内存池

java对于缓冲区Buffer的分配和回收是一个耗时的工作（特别是堆外直接内存）。

为了尽量重用缓冲区，netty提供了基于内存池的缓冲区重用机制。

内存池实现上可以分为两类：堆外直接内存和堆内存。

DirectBypeBuf的创建成本高，因为需要配合内存池使用

netty默认的io读写操作采用的都是内存池的堆外直接内存模式，如果用户需要额外使用ByteBuf,建议也采用内存池方式 ; 如果不涉及网络io操作（单纯的内存操作）可以使用堆内存池

// void initchannel(SocketChannel channel)
channel.config().setAllocator(UnpooledByteBufAllocator.DEAFAULT);
io线程与业务线程隔离
JVM调优
GC指标

吞吐量，延迟，内存占用

GC优化原则

  1. Minor GC (每次新生代回收尽可能多的内存，以减小FULL GC)

  2. GC内存最大化原则：GC使用的内存越大，效率越高

  3. 大多数IoT应用，吞吐量优先

-XX printGC

visual GC工具


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