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长连接和短连接

简介:
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1.TCP连接

当网络通信时采用TCP协议时,在真正的读写操作之前,server与client之间必须建立一个连接,当读写操作完成后,双方不再需要这个连接 时它们可以释放这个连接,连接的建立是需要三次握手的,而释放则需要4次握手,所以说每个连接的建立都是需要资源消耗和时间消耗的

经典的三次握手示意图:

经典的四次握手关闭图:

2. TCP短连接

我们模拟一下TCP短连接的情况,client向server发起连接请求,server接到请求,然后双方建立连接。client向server 发送消息,server回应client,然后一次读写就完成了,这时候双方任何一个都可以发起close操作,不过一般都是client先发起 close操作。为什么呢,一般的server不会回复完client后立即关闭连接的,当然不排除有特殊的情况。从上面的描述看,短连接一般只会在 client/server间传递一次读写操作

短连接的优点是: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

3.TCP长连接

接下来我们再模拟一下长连接的情况,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。

首先说一下TCP/IP详解上讲到的TCP保活功能,保活功能主要为服务器应用提供,服务器应用希望知道客户主机是否崩溃,从而可以代表客户使用资 源。如果客户已经消失,使得服务器上保留一个半开放的连接,而服务器又在等待来自客户端的数据,则服务器将永远等待客户端的数据,保活功能就是试图在服务 器端检测到这种半开放的连接。

如果一个给定的连接在两小时内没有任何的动作,则服务器就向客户发一个探测报文段,客户主机必须处于以下4个状态之一:

  1. 客户主机依然正常运行,并从服务器可达。客户的TCP响应正常,而服务器也知道对方是正常的,服务器在两小时后将保活定时器复位。
  2. 客户主机已经崩溃,并且关闭或者正在重新启动。在任何一种情况下,客户的TCP都没有响应。服务端将不能收到对探测的响应,并在75秒后超时。服务器总共发送10个这样的探测 ,每个间隔75秒。如果服务器没有收到一个响应,它就认为客户主机已经关闭并终止连接。
  3. 客户主机崩溃并已经重新启动。服务器将收到一个对其保活探测的响应,这个响应是一个复位,使得服务器终止这个连接。
  4. 客户机正常运行,但是服务器不可达,这种情况与2类似,TCP能发现的就是没有收到探查的响应。

从上面可以看出,TCP保活功能主要为探测长连接的存活状况,不过这里存在一个问题,存活功能的探测周期太长,还有就是它只是探测TCP连接的存活,属于比较斯文的做法,遇到恶意的连接时,保活功能就不够使了。

在长连接的应用场景下,client端一般不会主动关闭它们之间的连接,Client与server之间的连接如果一直不关闭的话,会存在一个问 题,随着客户端连接越来越多,server早晚有扛不住的时候,这时候server端需要采取一些策略,如关闭一些长时间没有读写事件发生的连接,这样可 以避免一些恶意连接导致server端服务受损;如果条件再允许就可以以客户端机器为颗粒度,限制每个客户端的最大长连接数,这样可以完全避免某个蛋疼的 客户端连累后端服务。

长连接和短连接的产生在于client和server采取的关闭策略,具体的应用场景采用具体的策略,没有十全十美的选择,只有合适的选择。

 

通俗的讲,不管是TCP协议,还是http,dubbo等协议,一次请求交互后关闭连接就是短连接,保持连接就是长连接,web网站的http服务一般都用短连接。


--------------------HTTP长连接和短连接------------------

 

 

一、什么是长连接

 

     HTTP1.1规定了默认保持长连接(HTTP persistent connection ,也有翻译为持久连接),数据传输完成了保持TCP连接不断开(不发RST包、不四次握手),等待在同域名下继续用这个通道传输数据;相反的就是短连接。

 HTTP首部的Connection: Keep-alive是HTTP1.0浏览器和服务器的实验性扩展,当前的HTTP1.1 RFC2616文档没有对它做说明,因为它所需要的功能已经默认开启,无须带着它,但是实践中可以发现,浏览器的报文请求都会带上它。如果HTTP1.1版本的HTTP请求报文不希望使用长连接,则要在HTTP请求报文首部加上Connection: close。《HTTP权威指南》提到,有部分古老的HTTP1.0 代理不理解Keep-alive,而导致长连接失效:客户端-->代理-->服务端,客户端带有Keep-alive,而代理不认识,于是将报文原封不动转给了服务端,服务端响应了Keep-alive,也被代理转发给了客户端,于是保持了“客户端-->代理”连接和“代理-->服务端”连接不关闭,但是,当客户端第发送第二次请求时,代理会认为当前连接不会有请求了,于是忽略了它,长连接失效。书上也介绍了解决方案:当发现HTTP版本为1.0时,就忽略Keep-alive,客户端就知道当前不该使用长连接。其实,在实际使用中不需要考虑这么多,很多时候代理是我们自己控制的,如Nginx代理,代理服务器有长连接处理逻辑,服务端无需做patch处理,常见的是客户端跟Nginx代理服务器使用HTTP1.1协议&长连接,而Nginx代理服务器跟后端服务器使用HTTP1.0协议&短连接。

    在实际使用中,HTTP头部有了Keep-Alive这个值并不代表一定会使用长连接,客户端和服务器端都可以无视这个值,也就是不按标准来,譬如我自己写的HTTP客户端多线程去下载文件,就可以不遵循这个标准,并发的或者连续的多次GET请求,都分开在多个TCP通道中,每一条TCP通道,只有一次GET,GET完之后,立即有TCP关闭的四次握手,这样写代码更简单,这时候虽然HTTP头有Connection: Keep-alive,但不能说是长连接。正常情况下客户端浏览器、web服务端都有实现这个标准,因为它们的文件又小又多,保持长连接减少重新开TCP连接的开销很有价值。

     以前使用libcurl做的上传/下载,就是短连接,抓包可以看到:1、每一条TCP通道只有一个POST;2、在数据传输完毕可以看到四次握手包。只要不调用curl_easy_cleanup,curl的handle就可能一直有效,可复用。这里说可能,因为连接是双方的,如果服务器那边关掉了,那么我客户端这边保留着也不能实现长连接。    
    如果是使用windows的WinHTTP库,则在POST/GET数据的时候,虽然我关闭了句柄,但这时候TCP连接并不会立即关闭,而是等一小会儿,这时候是WinHTTP库底层支持了跟Keep-alive所需要的功能:即便没有Keep-alive,WinHTTP库也可能会加上这种TCP通道复用的功能,而其它的网络库像libcurl则不会这么做。以前观察过WinHTTP库不会及时断开TCP连接

二、长连接的过期时间

    客户端的长连接不可能无限期的拿着,会有一个超时时间,服务器有时候会告诉客户端超时时间,譬如:
 
     上图中的Keep-Alive: timeout=20,表示这个TCP通道可以保持20秒。另外还可能有max=XXX,表示这个长连接最多接收XXX次请求就断开。对于客户端来说,如果服务器没有告诉客户端超时时间也没关系,服务端可能主动发起四次握手断开TCP连接,客户端能够知道该TCP连接已经无效;另外TCP还有心跳包来检测当前连接是否还活着,方法很多,避免浪费资源。

三、长连接的数据传输完成识别

    使用长连接之后,客户端、服务端怎么知道本次传输结束呢?两部分:1是判断传输数据是否达到了Content-Length指示的大小;2动态生成的文件没有Content-Length,它是分块传输(chunked),这时候就要根据chunked编码来判断,chunked编码的数据在最后有一个空chunked块,表明本次传输数据结束。更细节的介绍可以看这篇文章

四、并发连接数的数量限制

    在web开发中需要关注浏览器并发连接的数量,RFC文档说,客户端与服务器最多就连上两通道,但服务器、个人客户端要不要这么做就随人意了,有些服务器就限制同时只能有1个TCP连接,导致客户端的多线程下载(客户端跟服务器连上多条TCP通道同时拉取数据)发挥不了威力,有些服务器则没有限制。浏览器客户端就比较规矩,知乎这里有分析,限制了同域名下能启动若干个并发的TCP连接去下载资源。并发数量的限制也跟长连接有关联,打开一个网页,很多个资源的下载可能就只被放到了少数的几条TCP连接里,这就是TCP通道复用(长连接)。如果并发连接数少,意味着网页上所有资源下载完需要更长的时间(用户感觉页面打开卡了);并发数多了,服务器可能会产生更高的资源消耗峰值。浏览器只对同域名下的并发连接做了限制,也就意味着,web开发者可以把资源放到不同域名下,同时也把这些资源放到不同的机器上,这样就完美解决了。

五、容易混淆的概念——TCP的keep alive和HTTP的Keep-alive

    TCP的keep alive是检查当前TCP连接是否活着;HTTP的Keep-alive是要让一个TCP连接活久点。它们是不同层次的概念。
    TCP keep alive的表现:
    当一个连接“一段时间”没有数据通讯时,一方会发出一个心跳包(Keep Alive包),如果对方有回包则表明当前连接有效,继续监控。
这个“一段时间”可以设置。
WinHttp库的设置

WINHTTP_OPTION_WEB_SOCKET_KEEPALIVE_INTERVAL
Sets the interval, in milliseconds, to send a keep-alive packet over the connection. The default interval is 30000 (30 seconds). The minimum interval is 15000 (15 seconds). Using WinHttpSetOption to set a value lower than 15000 will return with ERROR_INVALID_PARAMETER.

libcurl的设置
http://curl.haxx.se/libcurl/c/curl_easy_setopt.html
CURLOPT_TCP_KEEPALIVE
Pass a long. If set to 1, TCP keepalive probes will be sent. The delay and frequency of these probes can be controlled by the CURLOPT_TCP_KEEPIDLE and CURLOPT_TCP_KEEPINTVL options, provided the operating system supports them. Set to 0 (default behavior) to disable keepalive probes (Added in 7.25.0).
CURLOPT_TCP_KEEPIDLE
Pass a long. Sets the delay, in seconds, that the operating system will wait while the connection is idle before sending keepalive probes. Not all operating systems support this option. (Added in 7.25.0)
CURLOPT_TCP_KEEPINTVL
Pass a long. Sets the interval, in seconds, that the operating system will wait between sending keepalive probes. Not all operating systems support this option. (Added in 7.25.0)
     CURLOPT_TCP_KEEPIDLE是空闲多久发送一个心跳包,CURLOPT_TCP_KEEPINTVL是心跳包间隔多久发一个。 
打开网页抓包,发送心跳包和关闭连接如下:
 
    从上图可以看到,大概过了44秒,客户端发出了心跳包,服务器及时回应,本TCP连接继续保持。到了空闲60秒的时候,服务器主动发起FIN包,断开连接。

六、HTTP 流水线技术

    使用了HTTP长连接(HTTP persistent connection )之后的好处,包括可以使用HTTP 流水线技术(HTTP pipelining,也有翻译为管道化连接),它是指,在一个TCP连接内,多个HTTP请求可以并行,下一个HTTP请求在上一个HTTP请求的应答完成之前就发起。从wiki上了解到这个技术目前并没有广泛使用,使用这个技术必须要求客户端和服务器端都能支持,目前有部分浏览器完全支持,而服务端的支持仅需要:按HTTP请求顺序正确返回Response(也就是请求&响应采用FIFO模式),wiki里也特地指出,只要服务器能够正确处理使用HTTP pipelinning的客户端请求,那么服务器就算是支持了HTTP pipelining。
    由于要求服务端返回响应数据的顺序必须跟客户端请求时的顺序一致,这样也就是要求FIFO,这容易导致Head-of-line blocking:第一个请求的响应发送影响到了后边的请求,因为这个原因导致HTTP流水线技术对性能的提升并不明显(wiki提到,这个问题会在HTTP2.0中解决)。另外,使用这个技术的还必须是幂等的HTTP方法,因为客户端无法得知当前已经处理到什么地步,重试后可能发生不可预测的结果。POST方法不是幂等的:同样的报文,第一次POST跟第二次POST在服务端的表现可能会不一样。
    在HTTP长连接的wiki中提到了HTTP1.1的流水线技术对RFC规定一个用户最多两个连接的指导意义:流水线技术实现好了,那么多连接并不能提升性能。我也觉得如此,并发已经在单个连接中实现了,多连接就没啥必要,除非瓶颈在于单个连接上的资源限制迫使不得不多开连接抢资源。
    目前浏览器并不太重视这个技术,毕竟性能提升有限。

原文链接:[http://wely.iteye.com/blog/2360330]

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