socket 断线重连和心跳机制如何实现？

一、socket 概念

1.套接字（socket）是网络通信的基石，是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的 IP 地址，本地进程的通信端口，远程主机的 IP 地址，远程进程的通信端口。

2.为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与 TCP/IP 协议交互提供了套接字(socket)接口进行编程。

3.应用层和传输层可以通过 socket 接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据通信的并发服务。

二、建立 socket 连接

1.建立 socket 连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为 ClientSocket ，另一个运行于服务端，称为 ServerSocket 。

2.套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务端监听，客户端请求，连接确认。

1）服务端监听
服务端套接字并不仅限于具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。

2）客户端请求
客户端的套接字向要连接的目标服务端的套接字提出连接请求。
为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务端的套接字，指出服务端套接字的地址和端口号，然后就可以向服务端套接字提出连接请求。

3）连接确认
当服务端套接字监听到或者接收到客户端套接字的连接请求时，就会去响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。

此外，服务端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3.socket 连接与 HTTP 连接

1）创建 socket 连接时，可以指定使用某个传输层协议，socket 支持不同的传输层协议（TCP（Transmission Control Protocol）或 UDP（User Datagram Protocol））。
当使用 TCP 协议进行连接时，该 socket 连接就是一个 TCP 连接。

2）socket 连接
通常情况下 socket 连接就是 TCP 连接，因此 socket 连接一旦建立，通信双方即可开始互相发送数据内容，直到双方连接断开。
但在实际网络应用中，客户端与服务端之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等。大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致 socket 连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

3）HTTP连接 HTTP连接使用的是"请求—响应"的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务端发出请求后，服务端才能返回数据。

很多情况下，需要服务端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务端数据的实时与同步。
此时若双方建立的是 socket 连接，服务端就可以直接将数据传送给客户端。
若双方建立的是 HTTP 连接，则服务端需要等到客户端发送一次请求后才能将数据返回给客户端。
因此，客户端定时向服务端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在"询问"服务端是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

备注：（在HTTP/2及以上版本里，已经可以实现服务端向客户端主动发送数据的逻辑。）

三、socket断线重连和心跳机制

1.socket 断线重连实现

1）正常连接断开时客户端会给服务端发送一个 fin 包，服务端收到 fin 包后才会知道连接准备断开。

2）而断网断电时客户端无法发送 fin 包给服务端，所以服务端就没办法检测到客户端是否已经断线。

3）为了解决这个问题，服务端需要有个心跳逻辑，就是服务端检测到某个客户端多久没发送任何数据过来就认为客户端已经断开，这需要客户端定时向服务端发送心跳数据维持连接。

2.socket 心跳机制实现

1）长连接的实现
心跳机制，应用层协议大多都有 HeartBeat（心跳）机制，通常是客户端每隔一小
段时间向服务端发送一个数据包，通知服务端自己仍然在线，并传输一些可能必要的数据。
使用心跳包的典型协议是 IM（Instant Messaging，即时通信），比如微信/QQ/MSN/飞信等应用。

2）在 TCP 传输层协议的机制里面，本身也是存在心跳包机制的，那就是 TCP 的选项：SO_KEEPALIVE。
系统默认设置的是 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。
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。
通过使用 TCP 的 KeepAlive 机制（修改 SO_KEEPALIVE参数），可以让连接每隔一小段时间就产生一些 ack 包，以降低被服务端断开的风险。当然，这样的代价是额外的网络和 CPU 负担。

四、应用层心跳机制实现

1.定义心跳包的格式和大小。

2.在客户端和服务端分别设置定时器（一般几秒到几十秒之间），用于定时发送心跳包。

3.定时器触发，由客户端或服务端发送心跳包给到对端。

4.接收方收到心跳包后，应立即发送一个响应包给发送端，以确保连接仍然活跃。

5.若发送方在一定时间内未收到响应包，则认为连接已经断开或对方无响应。此时需要进行处理，如重建连接、记录日志、通知用户等。

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