Netty — 心跳检测和断线重连
一.前言
由于在通信层的网络连接的不可靠性，比如：网络闪断，网络抖动等，经常会出现连接断开。这样对于使用长连接的应用而言，当突然高流量冲击势必会造成进行网络连接，从而产生网络堵塞，应用响应速度下降，延迟上升，用户体验较差。
在通信层的高可用设计中，需要保活长连接的网络，保证通信能够正常。一般有两种设计方式：
- 利用TCP提供的连接保活特性
- 应用层做连接保活
本文主要介绍使用netty时应用层如何做连接保活，提高应用的可用性。
### 二.TCP连接保活性的局限
TCP协议层面提供了KeepAlive的机制保证连接的活跃，但是其有很多劣势：
- 该保活机制非TCP协议的标准，默认是关闭
- 该机制依赖操作系统，需要进行系统级配置，不够灵活方便
- 当应用底层传输协议变更时，将无法适用
由于以上的原因，绝大多数的框架、应用处理连接的保活性都是在应用层处理。目前的主流方案是心跳检测，断线重连。
### 三.应用层保证连接的活跃性
1.心跳检测
心跳检测机制：客户端每隔一段时间发送PING消息给服务端，服务端接受到后回复PONG消息。客户端如果在一定时间内没有收到PONG响应，则认为连接断开，服务端如果在一定时间内没有收到来自客户端的PING请求，则认为连接已经断开。通过这种来回的PING-PONG消息机制侦测连接的活跃性。
netty本身也提供了IdleStateHandler用于检测连接闲置，该Handler可以检测连接未发生读写事件而触发相应事件。
首先编写客户端心跳检测的Handler：
/**
* 心跳检测：
* 1. client发送"PING"消息
*
* @author huaijin
*/
public class ClientHeartBeatHandler extends ChannelHandlerAdapter {
/**
* PING消息
*/
private static final String PING = "0";
/**
* PONG消息
*/
private static final String PONG = "1";
/**
* 分隔符
*/
private static final String SPLIT = "$_";
/**
* 读取到服务端响应，如果是PONG响应，则打印。如果是非PONG响应，则传递至下一个Handler
*
* @param ctx 处理上下文
* @param msg 消息
* @throws Exception
* @author huaijin
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if (PONG.equals(msg)) {
System.out.println("from heart bean: " + msg);
} else {
ctx.fireChannelRead(msg);
}
}
/**
* 处理触发的事件，如果是{@link IdleStateEvent}，则判断是读或者是写。如果是du，则断开连接；
* 如果是写，则发送PING消息
*
* @param ctx 处理上下文
* @param evt 事件
* @throws Exception
* @author huaijin
*/
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt)
throws Exception {
if (evt instanceof IdleStateEvent) {
IdleStateEvent idleStateEvent = (IdleStateEvent) evt;
switch (idleStateEvent.state()) {
case WRITER_IDLE:
sendPing(ctx);
break;
case READER_IDLE:
System.out.println("client close connection.");
closeConnection(ctx);
break;
case ALL_IDLE:
closeConnection(ctx);
break;
default:
break;
}
}
}
/**
* 发送PING消息
*
* @param ctx 上下文
* @author huaijin
*/
private void sendPing(ChannelHandlerContext ctx) {
System.out.println("send heart beat: " + PING);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer((PING + SPLIT).getBytes()));
}
/**
* 关闭连接
*
* @param ctx
* @author huaijin
*/
private void closeConnection(ChannelHandlerContext ctx) {
ctx.disconnect();
ctx.close();
}
}
然后再编写服务单心跳检测Handler：
/**
* 心跳检测：
* 1. server端接受到"PING"，返回"PONG"消息
*
* @author huaijin
*/
public class ServerHeartBeatHandler extends ChannelHandlerAdapter {
/**
* PONG消息
*/
private static final String PONG = "1";
/**
* PING消息
*/
private static final String PING = "0";
/**
* 消息分隔符
*/
private static final String SPLIT = "$_";
/**
* 如果是PING消息，则相应PONG。如果非，则传递至下个Handler
*
* @param ctx 上下文
* @param msg 消息
* @throws Exception
* @author huaijin
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if (PING.equals(msg)) {
System.out.println("from heart beat: " + msg);
sendPong(ctx);
} else {
ctx.fireChannelRead(msg);
}
}
/**
* 处理触发事件，如果是读事件，则关闭连接
*
* @param ctx 上下文
* @param evt 事件
* @throws Exception
* @author huaijin
*/
@Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt)
throws Exception {
if (evt instanceof IdleStateEvent) {
IdleStateEvent idleStateEvent = (IdleStateEvent) evt;
if (idleStateEvent.state() == READER_IDLE) {
System.out.println("server close connection.");
closeConnection(ctx);
}
}
}
/**
* 发送PONG消息
*
* @param ctx 上下文
* @author huaijin
*/
private void sendPong(ChannelHandlerContext ctx) {
System.out.println("send heart bean: " + PONG);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer((PONG + SPLIT).getBytes()));
}
/**
* 关闭连接
*
* @param ctx 上下文
* @author huaijin
*/
private void closeConnection(ChannelHandlerContext ctx) {
ctx.disconnect();
ctx.close();
}
}
通过以上的ClientHeartbeatHandler和ServerHeartBeatHandler和netty本身提供的IdleStateHandler能够完成心跳检测。
Note:
但是IdleStateHandler中有未读和未写的事件设置，这里需要非常着重注意。客户端的为读时间最好设置为服务端的未写时间的两倍，服务端的未读时间最好设置为客户端的未写时间的两倍。
2.断线重连
当心跳检测发现连接断开后，为了保证通信层的可用性，仍然需要重新连接，保证通信的可靠。对于短线重连一般有两种设计方式比较常见：
- 通过额外的线程定时轮循所有的连接的活跃性，如果发现其中有死连接，则执行重连
- 监听连接上发送的断开事件，如果发送则执行重连操作
这里我们首先看下第一种实现方式，netty中当Bootstrap执行connect操作后，会获得ChannelFuture对象，在该对象上执行close事件的监听，如果发生了close则提交重连操作。
public void connect(int port, String host) throws InterruptedException {
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("$_".getBytes());
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1024, delimiter));
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(
10, 5, 10));
ch.pipeline().addLast(new ClientHeartBeatHandler());
ch.pipeline().addLast(new EchoClientHandler());
}
});
ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
// 监听channel上的close事件
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// 提交重连操作
executor.execute(() -> {
try {
System.out.println("reconnection to: " + "127.0.0.1:8080");
connect(8080, "127.0.0.1");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new EchoClient().connect(8080, "127.0.0.1");
Thread.currentThread().join();
}
但是该种方式对于应用而言，需要每个连接都有重连的线程，这样对于资源消耗比较大。建议采用第二种情况，使用额外的单线程轮循所有的连接，检测其是否活跃。该种方式在开源框架中有应用。
timerExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
reconnect();
}
}, SCHEDULE_INTERVAL_MILLS, SCHEDULE_INTERVAL_MILLS, TimeUnit.SECONDS);
使用Java的定时线程池，定时执行重连操作。在重连操作中将检测连接的活跃性，如果非活跃，则执行重连。
