HTTP/TCPIP——长连接与短连接

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

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，则服务器将应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：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

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        刚接触HTTP请求就听说过HTTP请求有1.0和1.1两个版本（其实还有个0.9版本，因为只接受GET一种请求，不支持POST方法，因此客户端无法向服务器传递太多信息而为人们所忽略），而且还知道HTTP1.0协议不支持长连接，从HTTP1.1协议以后，连接默认都是长连接。但终究觉得对于长连接一直不明觉厉，有种抓不到关键点的感觉。

        我们现在用的都是HTTP1.1版本，而HTTP1.1版本又是支持长连接的（也叫持久连接），因此我们平时用的都是长连接，我之前一直这么认为的。经过最近的探索发现，这话并不是这样的。因为HTTP协议根本就没有长短连接这一说法。
        众所周知，HTTP协议是基于请求/响应模式的，因此只要服务端给了响应，本次HTTP连接就结束了。之所以网络上说HTTP分为长连接和短连接，其实本质上是说的TCP连接。TCP连接是一个双向的通道，它是可以保持一段时间不关闭的，因此TCP连接才有真正的长连接和短连接这一说。HTTP协议说到底是应用层的协议，而TCP才是真正的传输层协议，只有负责传输的这一层才需要建立连接。以后记住长连接，短连接都是指的传输层的TCP连接，而不是应用层的HTTP协议。HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。HTTP属于应用层协议，在传输层使用TCP协议，在网络层使用IP协议。IP协议主要解决网络路由和寻址问题，TCP协议主要解决如何在IP层之上可靠的传递数据包，使在网络上的另一端收到发端发出的所有包，并且顺序与发出顺序一致。TCP有可靠，面向连接的特点。

1，如何理解HTTP协议是无状态的
        HTTP协议是无状态的，指的是协议对于事务处理没有记忆能力，服务器不知道客户端是什么状态。也就是说，打开一个服务器上的网页和你之前打开这个服务器上的网页之间没有任何联系。HTTP是一个无状态的面向连接的协议，无状态不代表HTTP不能保持TCP连接，更不能代表HTTP使用的是UDP协议（无连接）。

2，什么是长连接、短连接？
        在HTTP/1.0中，默认使用的是短连接。也就是说，浏览器和服务器每进行一次HTTP操作，就建立一次连接，但任务结束就中断连接。如果客户端浏览器访问的某个HTML或其他类型的 Web页中包含有其他的Web资源，如JavaScript文件、图像文件、CSS文件等；当浏览器每遇到这样一个Web资源，就会建立一个HTTP会话。但从 HTTP/1.1起，默认使用长连接，用以保持连接特性。使用长连接的HTTP协议，会在响应头有加入这行代码：Connection:keep-alive 服务器和客户端都要设置
        在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的 TCP连接不会关闭，如果客户端再次访问这个服务器上的网页，会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接，它有一个保持时间，可以在不同的服务器软件（如Apache）中设定这个时间。实现长连接要客户端和服务端都支持长连接。HTTP协议的长连接和短连接，实质上是TCP协议的长连接和短连接。

3，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。

4，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。

短连接的操作步骤是：建立连接——数据传输——关闭连接…建立连接——数据传输——关闭连接

5，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。比如你请求了csdn的一个网页，这个网页里肯定还包含了CSS、JS等等一系列资源，如果你是短连接（也就是每次都要重新建立TCP连接）的话，那你每打开一个网页，基本要建立几个甚至几十个TCP连接，但如果是长连接的话，那么这么多次HTTP请求（这些请求包括请求网页内容，
CSS文件，JS文件，图片等等），其实使用的都是一个TCP连接，很显然是可以节省很多消耗的。
        另外，最后关于长连接还要多提一句，那就是，长连接并不是永久连接的。如果一段时间内（具体的时间长短，是可以在header当中进行设置的，也就是所谓的超时时间），这个连接没有HTTP请求发出的话，那么这个长连接就会被断掉。这一点其实很容易理解，否则的话，TCP连接将会越来越多，直到把服务器的TCP连接数量撑爆到上限为止。现在想想，对于服务器来说，服务器里的这些个长连接其实很有数据库连接池的味道，大家都是为了节省连接重复利用嘛，对不对？

长连接的操作步骤是：建立连接——数据传输…（保持连接）…数据传输——关闭连接

6，长连接和短连接的优点和缺点
        由上可以看出，长连接可以省去较多的TCP建立和关闭的操作，减少浪费，节约时间。对于频繁请求资源的客户来说，较适用长连接。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。短连接对于服务器来说管理较为简单， 存在的连接都是有用的连接，不需要额外的控制手段。但如果客户请求频繁，将在TCP的建立和关闭操作上浪费时间和带宽。

7，什么时候用长连接，短连接
        长连接多用于操作频繁，点对点的通讯，而且连接数不能太多情况，。每个TCP连接都需要三步握手，这需要时间，如果每个操作都是先连接，再操作的话那么处理速度会降低很多，所以每个操作完后都不断开，次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接，
        所以每个操作完后都不断开，下次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接，
         如果用短连接频繁的通信会造成socket错误，而且频繁的socket 创建也是对资源的浪费。而像WEB网站的http服务一般都用短链接，因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源， 而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接会更省一些资源，如果用长连接，而且同时有成千上万的用户，如果每个用户都占用一个连接的话，那可想而知吧。

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转自：http://www.nowamagic.net/academy/detail/23350382

心跳包
        很多应用层协议都有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。
        心跳包之所以叫心跳包是因为：它像心跳一样每隔固定时间发一次，以此来告诉服务器，这个客户端还活着。事实上这是为了保持长连接，至于这个包的内容，是没有什么特别规定的，不过一般都是很小的包，或者只包含包头的一个空包。
        在TCP的机制里面，本身是存在有心跳包的机制的，也就是TCP的选项：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。
        心跳包一般来说都是在逻辑层发送空的echo包来实现的。下一个定时器，在一定时间间隔下发送一个空包给客户端，然后客户端反馈一个同样的空包回来，服务器如果在一定时间内收不到客户端发送过来的反馈包，那就只有认定说掉线了。
        其实，要判定掉线，只需要send或者recv一下，如果结果为零，则为掉线。但是，在长连接下，有可能很长一段时间都没有数据往来。理论上说，这个连接是一直保持连接的，但是实际情况中，如果中间节点出现什么故障是难以知道的。更要命的是，有的节点（防火墙）会自动把一定时间之内没有数据交互的连接给断掉。在这个时候，就需要我们的心跳包了，用于维持长连接，保活。
        在获知了断线之后，服务器逻辑可能需要做一些事情，比如断线后的数据清理呀，重新连接呀……当然，这个自然是要由逻辑层根据需求去做了。
        总的来说，心跳包主要也就是用于长连接的保活和断线处理。一般的应用下，判定时间在30-40秒比较不错。如果实在要求高，那就在6-9秒。

TCP协议的KeepAlive机制
        学过TCP/IP的同学应该都知道，传输层的两个主要协议是UDP和TCP，其中UDP是无连接的、面向packet的，而TCP协议是有连接、面向流的协议。
        所以非常容易理解，使用UDP协议的客户端（例如早期的“OICQ”，听说OICQ.com这两天被抢注了来着，好古老的回忆）需要定时向服务器发送心跳包，告诉服务器自己在线。
        然而，MSN和现在的QQ往往使用的是TCP连接了，尽管TCP/IP底层提供了可选的KeepAlive（ACK-ACK包）机制，但是它们也还是实现了更高层的心跳包。似乎既浪费流量又浪费CPU，有点莫名其妙。
        具体查了下，TCP的KeepAlive机制是这样的，首先它貌似默认是不打开的，要用setsockopt将SOL_SOCKET.SO_KEEPALIVE设置为1才是打开，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包不回复才当对方死了、两个ack包之间间隔多长，在我测试的Ubuntu Server 10.04下面默认值是7200秒（2个小时，要不    要这么蛋疼啊！）、9次、75秒。于是连接就了有一个超时时间窗口，如果连接之间没有通信，这个时间窗口会逐渐减小，当它减小到零的时候，TCP协议会向对方发一个带有ACK标志的空数据包（KeepAlive探针），对方在收到ACK包以后，如果连接一切正常，应该回复一个ACK；如果连接出现错误了（例如对方重启了，连接状态丢失），则应当回复一个RST；如果对方没有回复，服务器每隔intvl的时间再发ACK，如果连续probes个包都被无视了，说明连接被断开了。
        这里有一篇非常详细的介绍文章： http://tldp.org/HOWTO/html_single/TCP-Keepalive-HOWTO ，包括了KeepAlive的介绍、相关内核参数、C编程接口、如何为现有应用（可以或者不可以修改源码的）启用KeepAlive机制，很值得详读。
        这篇文章的2.4节说的是“Preventing disconnection due to network inactivity”，阻止因网络连接不活跃（长时间没有数据包）而导致的连接中断，说的是，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T掉的风险，当然，这样的代价是额外的网络和CPU负担。