一種自適應(yīng)心跳間隔保活TCP連接的方法

栗永勝 崔佳冬 秦會斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所 浙江 杭州 310000)

0 引 言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為實現(xiàn)移動終端、嵌入式終端等無線設(shè)備客戶端與服務(wù)器通信的實時性，需要終端設(shè)備的客戶端與服務(wù)器保持TCP長連接[1]。由于NAT超時、DHCP過期、路由節(jié)點異常等會造成客戶端與服務(wù)器通信鏈路的中斷，在TCP通信中兩端無法及時感知鏈路異常中斷情況，影響通信的可靠性。

在TCP通信中采用應(yīng)用層定時發(fā)送心跳包的方式保持連接的存活。谷歌的GCM服務(wù)、蘋果的APNs、MQTT協(xié)議等都采用固定間隔發(fā)送心跳包的方式來保持長連接，該方式實現(xiàn)簡單，但存在以下缺點：(1) 無法適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。固定心跳包的發(fā)送時間間隔值往往根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定，無法適應(yīng)終端設(shè)備所處環(huán)境，若該值設(shè)置過長會影響系統(tǒng)的可靠性、實時性。(2) 造成資源浪費。為確保系統(tǒng)的可靠該值設(shè)定較小，造成了流量、電量、網(wǎng)絡(luò)等資源的浪費。

針對以上問題，本文提出了一種自適應(yīng)心跳保持長連接的方法。程序根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、用戶設(shè)置學(xué)習(xí)心跳包發(fā)送時間間隔值，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)習(xí)到的心跳間隔在保證連接可靠的前提下，盡可能大，從而節(jié)省了流量、電量等資源。

1 心跳機制分析

1.1 心跳包的必要性

嵌入式網(wǎng)關(guān)、智能手機應(yīng)用消息推送等實時通信系統(tǒng)中，服務(wù)器需要根據(jù)連接將消息推送至客戶端。IPv4的IP地址有限，無法為每一個終端設(shè)備分配一個公有IP地址。大部分終端設(shè)備通過NAT將私有IP映射為公有IP，通過修改數(shù)據(jù)包中IP地址完成NAT內(nèi)部設(shè)備和外部終端之間的通信，NAT采用動態(tài)刷新的方式為需要連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備分配可用的公有IP。如果外部終端和服務(wù)器所建立鏈路長時間空閑，NAT刪除與之相對應(yīng)的記錄，導(dǎo)致鏈路中斷。所以在需要保持長連接的應(yīng)用場景中采用在應(yīng)用層發(fā)送心跳包的方法來保持終端設(shè)備和服務(wù)器鏈路的存活[2]。

圖1為通信系統(tǒng)中心跳包等報文傳輸鏈路，鏈路1為終端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送心跳包數(shù)據(jù)，由終端設(shè)備根據(jù)服務(wù)器的IP及端口號發(fā)起連接。當(dāng)服務(wù)器主動向終端設(shè)備推送信息或回復(fù)終端請求時通過鏈路2傳輸，若要保持鏈路1、2的暢通，則需要終端設(shè)備發(fā)送心跳包來維持鏈接。

圖1 系統(tǒng)通信鏈路模型

1.2 心跳包資源消耗

心跳包和回復(fù)幀會消耗流量，計算式為：

(1)

式中：fc單位為Byte/h，ti為心跳間隔，單位為秒，ms為發(fā)送端發(fā)送心跳包的大小，mr為心跳包接收端回復(fù)的確認(rèn)幀的大小，ms與mr的單位為Byte。

電量消耗ec計算公式：

ec=ew+es

(2)

式中：es為系統(tǒng)睡眠時電量消耗，ew為系統(tǒng)工作時電量消耗，ew≥es，通過減少心跳包次數(shù)可以減少系統(tǒng)的工作時間，從而減少電量的消耗。

從式(1)、式(2)中可以看出，ti越大,fc、ec越小，流量、電量消耗越少?？梢酝ㄟ^提高ti減少心跳包對資源的消耗。

2 心跳間隔自適應(yīng)算法設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

心跳間隔過小，心跳包發(fā)送頻繁會造成電量、流量、網(wǎng)絡(luò)資源的浪費；心跳間隔過大會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能保證通信的實時性。根據(jù)以上問題，自適應(yīng)算法應(yīng)遵循以下原則[3]：

(1) 提升通信鏈路的穩(wěn)定性，盡可能減小由NAT超時、DHCP過期、路由節(jié)點異常等引起的鏈路中斷時間；

(2) 在保證鏈路穩(wěn)定性的情況下，心跳間隔應(yīng)盡可能大，減少交互開銷，節(jié)省流量、電量等；

(3) 提升對連接中斷的響應(yīng)速度，以較短的時間完成對鏈接中斷的判斷，重新連接上服務(wù)器。

2.2 工作方法

根據(jù)以上原則自適應(yīng)算法設(shè)計包括心跳間隔自適應(yīng)、最優(yōu)心跳間隔判斷、鏈路中斷判斷三個模塊。心跳包自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有自適應(yīng)和穩(wěn)定工作兩種工作模式，根據(jù)條件切換。

(1) 心跳間隔自適應(yīng)。心跳間隔自適應(yīng)模塊對計算得到的心跳間隔進(jìn)行測試，連續(xù)成功N次后，根據(jù)算法增加心跳間隔，定義為自適應(yīng)增過程；心跳包在測試過程中第一次出現(xiàn)失敗，則根據(jù)算法減小心跳間隔，定義為自適應(yīng)減過程。

(2) 最優(yōu)心跳間隔判斷模塊。測試時當(dāng)心跳間隔達(dá)到最優(yōu)心跳間隔條件則退出自適應(yīng)模式，且在一段時間內(nèi)不再改變。

(3) 鏈路中斷判斷模塊。心跳包發(fā)送失敗時向服務(wù)器發(fā)送測試報文，若在規(guī)定的時間內(nèi)未收到回復(fù)幀則表示鏈路中斷，需對間隔值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 心跳間隔自適應(yīng)調(diào)整過程

設(shè)To為最優(yōu)心跳間隔，ti為測試心跳間隔，Tt為用戶定義閾值，T0∈[Tmin,Tmax]，系統(tǒng)在自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式下通過不斷縮小To查找范圍，使心跳間隔逼近To，當(dāng)ti與To誤差小于等于Tt時可認(rèn)為ti為最優(yōu)心跳間隔。根據(jù)算法計算要測試的心跳間隔ti，并測試ti是否可以保持通信鏈路的“存活”，若可以?；顒t將To自適應(yīng)范圍下限改為ti，否則將To自適應(yīng)范圍上限變?yōu)閠i。下面對查找最優(yōu)心跳間隔To進(jìn)行詳細(xì)介紹。

心跳間隔的學(xué)習(xí)范圍初始為[Tmin,Tmax]，可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。Tmin與Tmax可相等，此時最優(yōu)心跳間隔為Tmin，無需自適應(yīng)調(diào)整。在查找最優(yōu)心跳間隔To的學(xué)習(xí)過程中使用二分法將查找范圍折半[4]，記為[tl_min,tl_max),To∈[tl_min,tl_max)，且[tl_min,tl_max)∈[Tmin,Tmax]。其中tl_min為自適應(yīng)過程中當(dāng)前的最大成功心跳間隔，tl_max為當(dāng)前最小失敗心跳間隔。To范圍上限tl_max計算公式：

(3)

To范圍下限tl_min計算公式為：

(4)

式(3)中tl_max初試值為Tmax，tii為測試中失敗的心跳間隔的最小值。式(4)中tl_min初試值為Tmin，tii為測試中成功的心跳間隔的最大值。

自適應(yīng)過程中當(dāng)測試心跳間隔需要增大時，由下式計算得到測試心跳間隔tii：

(5)

自適應(yīng)過程中當(dāng)心跳間隔需減小時，測試心跳間隔tii計算式為：

(6)

tii為當(dāng)前測試心跳間隔，To查找范圍為[tl_min,tl_max)。Tt為閾值。

當(dāng)To的范圍[tl_min,tl_max)上限與下限的差值小于閾值Tt時，結(jié)束自適應(yīng)過程，以tii作為心跳間隔進(jìn)入穩(wěn)定工作模式，tii與To的誤差小于Tt。

2.4 鏈路中斷判斷

TCP通信中往返門限值根據(jù)往返時延RTT(Round Trip Time)計算。RTT為終端發(fā)送數(shù)據(jù)到終端接收到回復(fù)幀所花費的時間，由終端處理時間、鏈路傳輸時間、路由緩存排隊處理時間組成[5]，RTT反映了系統(tǒng)資源使用和網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。

(7)

(8)

報文往返門限值為tw，文中定義tw計算公式如下：

(9)

2.5 穩(wěn)定工作模式下開啟自適應(yīng)模式

穩(wěn)定工作過程中通過心跳包發(fā)送失敗率判斷是否重新開啟自適應(yīng)，計算心跳包發(fā)送失敗率ρ：

(10)

nfail、ntotal分別為穩(wěn)定工作工程中心跳包失敗的個數(shù)、心跳包總個數(shù)。用戶可以通過設(shè)置ρ來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性ρ的范圍為[0,1]。

2.6 心跳間隔計算步驟

在自適應(yīng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)算法進(jìn)行查找最優(yōu)心跳間隔，具體步驟如下：

(1) 初試化自適應(yīng)范圍為[Tmin,Tmax]，判斷Tmin、Tmax是否相等，若相等則進(jìn)入步驟(6)，否則執(zhí)行步驟(2)；

(2) 獲得往返時延RTT，并根據(jù)式(9)計算通信往返門限值tw；

(3) 由式(5)獲得測試的心跳間隔tii，以tii為心跳間隔進(jìn)行測試；

(4) 步驟(3)測試成功，將測試范圍的下限tl_min賦值為tii，若步驟(3)測試失敗，則根據(jù)式(6)計算下一個測試心跳間隔，將測試范圍的上限tl_max改為tii；

(5) 根據(jù)條件判斷是否為最優(yōu)心跳間隔，不滿足最優(yōu)心跳間隔條件則重復(fù)步驟(3)、步驟(4)，若滿足最優(yōu)心跳間隔條件，則以當(dāng)前值心跳間隔，退出自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作模式；

(6) 穩(wěn)定工作模式統(tǒng)計最優(yōu)心跳間隔的失敗個數(shù)，判斷是否重新開啟自適應(yīng)模式。

3 算法的程序?qū)崿F(xiàn)及測試

測試系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)層使用TCP協(xié)議，且設(shè)計了應(yīng)用層通信協(xié)議。在中國移動、中國聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下對本自適應(yīng)算法進(jìn)行了測試。

3.1 應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計

心跳包及心跳包回復(fù)幀應(yīng)用層協(xié)議字段如表1所示，包括協(xié)議頭、數(shù)據(jù)長度、用戶數(shù)據(jù)、協(xié)議尾4個字段。

表1 應(yīng)用層協(xié)議字段

數(shù)據(jù)長度字段為用戶數(shù)據(jù)字段BASE64編碼后長度。該字段經(jīng)過字節(jié)擴展技術(shù)處理，既將4字節(jié)的int類型變?yōu)?字節(jié)字符類型，例如1字節(jié)的0x6A，字節(jié)擴展后變?yōu)椤?”、“A”字符，共2字節(jié)。字節(jié)擴展后，數(shù)據(jù)長度字段僅出現(xiàn)0～9、A～F或a～f等字符。

心跳包報文用戶數(shù)據(jù)字段主要包括報文序列號、功能碼、時間、當(dāng)前心跳值?；貜?fù)幀包括報文序列號、功能碼、學(xué)習(xí)范圍的最大值與最小值、最優(yōu)間隔閾值。將最小值Tmin、最大值Tmax放到協(xié)議里由服務(wù)器配置使系統(tǒng)自適應(yīng)更具靈活性。用戶數(shù)據(jù)字段使用BASE64編碼后包含A～Z、a～z、0～9、+、-等64個字符[8-9]。

經(jīng)字節(jié)擴展和BASE64編碼處理后，避免“@”、“&”等字符出現(xiàn)在用戶數(shù)據(jù)字段和數(shù)據(jù)長度字段里，程序通過判斷協(xié)議頭、尾，正確識別協(xié)議包，有效解決了TCP/IP通信中常見的斷包、粘包問題。圖2為協(xié)議包舉例，數(shù)據(jù)長度為16字節(jié)。

圖2 協(xié)議舉例

3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

測試系統(tǒng)客戶端用C語言開發(fā)，運行在ARM嵌入式系統(tǒng)。測試服務(wù)器使用Java語言開發(fā)，云服務(wù)器對來自客戶端的心跳包等數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并回復(fù)。

圖3為程序的流程。

程序包括初始化參數(shù)、建立連接、計算往返門限值、查找及測試心跳間隔、鏈路中斷判斷等步驟。首先，客戶端與測試服務(wù)器建立請求，獲得初始的自適應(yīng)學(xué)習(xí)范圍[Tmin,Tmax]為[60,1 200]，并設(shè)置閾值Tt為4，即當(dāng)自適應(yīng)心跳間隔查找范圍小于等于4時，判定測試成功的心跳間隔等價于To。其次，根據(jù)算法計算心跳間隔，并對心跳間隔進(jìn)行測試。最后，根據(jù)閾值Tt判斷進(jìn)入穩(wěn)定工作模式，檢測開啟自適應(yīng)條件。

網(wǎng)絡(luò)socket通信中使用epoll事件驅(qū)動機制監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)通信事件。定時任務(wù)使用基于Linux C的clock_gettime()函數(shù)完成，精度為納秒。將clock_gettime()配置為CLOCK_MONOTONIC，既從系統(tǒng)啟動開始計時，用戶改變系統(tǒng)時間不影響該值。

查找最優(yōu)間隔偽代碼如下：

void self_adaption_fun(){

if(is_success){

//將自適應(yīng)范圍下限變?yōu)楫?dāng)前心跳間隔

//范圍閾值判斷

if(LEARN_MAX-LEARN_MIN<=Th){

//進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)

return;

}

//根據(jù)式(5)增加心跳間隔

}else if(!is_success){

//將自適應(yīng)范圍上限變?yōu)楫?dāng)前心跳間隔

//根據(jù)式(6)減小心跳間隔

}

}

3.3 測試結(jié)果分析

本算法在中國移動和中國聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行了測試。中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)下測得如表2數(shù)據(jù)，經(jīng)過9次查找測試，范圍縮小至[897,901)，此時范圍長度為4與閾值Tt相等，此時tii與To的誤差小于4，判定最優(yōu)心跳間隔To?ti，系統(tǒng)以897 s為心跳間隔進(jìn)入穩(wěn)定工作模式。

表2 移動GPRS網(wǎng)絡(luò)下算法測試數(shù)據(jù) s

在中國聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下測得的數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)過10次測試，確定最優(yōu)心跳間隔的范圍為[600,603)，范圍的長度由1 140縮小至3，tii與To的誤差小于3，600 s可作為穩(wěn)定工作狀態(tài)的心跳間隔。

表3 聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下算法測試數(shù)據(jù) s

圖4為聯(lián)通和移動GPRS網(wǎng)絡(luò)的RTT情況，從圖中可以看出網(wǎng)絡(luò)抖動較大。表4對數(shù)據(jù)RTT數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并給出了式(9)的系數(shù)的值。

圖4 中國移動和聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下RTT統(tǒng)計

表4 網(wǎng)絡(luò)RTT分析 s

經(jīng)過多次測試在中國移動和中國聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)下系統(tǒng)可以較快地查找到合適的心跳間隔，算法能夠很好地適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)下的心跳間隔約為聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)的1.5倍。

4 結(jié) 語

本文提出了一種自適應(yīng)的心跳包發(fā)送間隔值查找方法，本方法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境調(diào)節(jié)心跳包發(fā)送間隔，減少了由于發(fā)送心跳包帶來的開銷。經(jīng)過測試本方法穩(wěn)定可靠，適用于移動終端、嵌入式網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。本文提出的方法靈活易用性強，開發(fā)人員可根據(jù)需求通過配置參數(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和節(jié)省資源的效率。由于實驗條件的限制本系統(tǒng)還有許多需要改善的地方，例如需要對更多的網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行測試，可以將GPRS等網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量作為調(diào)節(jié)心跳間隔的條件，提高算法性能。

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