分析 HTTP，TCP 的长连接和短连接以及 socket

Posted 2023-03-06 linux大本营

1、HTTP 协议与 TCP/IP 协议的关系

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。

2、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）。

3、什么是长连接、短连接？

短连接

连接->传输数据->关闭连接

HTTP是无状态的，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。

也可以这样说：短连接是指Socket连接后发送后接收完数据后马上断开连接。

长连接

连接->传输数据->保持连接 -> 传输数据-> 。。。->关闭连接。

长连接指建立Socket连接后不管是否使用都保持连接。

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

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。

3.1 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 3 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： 

3.2 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。

3.3 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。

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3.4 长连接短连接操作过程

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

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

4、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。

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。

5、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， 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。所以并发量大，但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好。

6、长连接和短连接的生命周期有多久？

短连接在建立连接后，完成一次读写就会自动关闭了。

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

在编程中，往往需要建立一条TCP连接，并且长时间处于连接状态。所谓的TCP长连接并没有确切的时间限制，而是说这条连接需要的时间比较长。

7、怎样检测长连接是否中断？

1、在应用层使用heartbeat来主动检测

对于实时性要求较高的网络通信程序，往往需要更加及时的获取已经中断的连接，从而进行及时的处理。但如果对方的连接异常中断，往往是不能及时的得到对方连接已经中断的信息，操作系统检测连接是否中断的时间间隔默认是比较长的，即便它能够检测到，但却不符合我们的实时性需求，所以需要我们进行手工去不断探测。

2、改变socket的keepalive选项，以使socket检测连接是否中断的时间间隔更小，以满足我们的及时性需求。有关的几个选项使用和解析如下：

A、我们在检测对端以一种非优雅的方式断开连接的时候，可以设置SO_KEEPALIVE属性使得我们在2小时以后发现对方的TCP连接是否依然存在。用法如下：

keepAlive = 1；
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void*)&keepAlive, sizeof(keepAlive));

B、如果我们不想使用这么长的等待时间，可以修改内核关于网络方面的配置参数，也可设置SOCKET的TCP层（SOL_TCP）选项TCP_KEEPIDLE、TCP_KEEPINTVL和TCP_KEEPCNT。

• TCP_KEEPIDLE：开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间（默认2h）
• TCP_KEEPINTVL：两次KeepAlive探测间的时间间隔（默认75s）
• TCP_KEEPCNT：断开前的KeepAlive探测次数

如果心跳函数要维护客户端的存活，即服务器必须每隔一段时间必须向客户段发送一定的数据，那么使用SO_KEEPALIVE是有很大的不足的。因为SO_KEEPALIVE选项指"此套接口的任一方向都没有数据交换"。在Linux 2.6系列上，上面话的理解是只要打开SO_KEEPALIVE选项的套接口端检测到数据发送或者数据接受就认为是数据交换。因此在这种情况下使用 SO_KEEPALIVE选项 检测对方是否非正常连接是完全没有作用的，在每隔一段时间发包的情况， keep-alive的包是不可能被发送的。上层程序在非正常断开的情况下是可以正常发送包到缓冲区的。非正常端开的情况是指服务器没有收到"FIN" 或者 "RST"包。