# 短连接

HTTP 协议最初(0.9/1.0)是个非常简单的协议,通信过程也采用了简单的“请求 - 应答”方式。

它底层的数据传输基于 TCP/IP,每次发送请求前需要先与服务器建立连接,收到响应报文后会立即关闭连接。

因为客户端与服务器的整个连接过程很短暂,不会与服务器保持长时间的连接状态,所以就被称为“短连接”(short-lived connections)。早期的 HTTP 协议也被称为是“无连接”的协议。

短连接的缺点相当严重,因为在 TCP协议里,建立连接和关闭连接都是非常“昂贵”的操作。TCP 建立连接要有“三次握手”,发送 3 个数据包,需要 1 个 RTT;关闭连接是“四次挥手”,4 个数据包需要 2 个 RTT。

而 HTTP 的一次简单“请求 - 响应”通常只需要 4 个包,如果不算服务器内部的处理时间,最多是 2 个 RTT。这么算下来,浪费的时间就是“3÷5=60%”,有三分之二的时间被浪费掉了,传输效率低得惊人

单纯地从理论上讲,TCP 协议你可能还不太好理解,我就拿打卡考勤机来做个形象的比喻吧。

假设你的公司买了一台打卡机,放在前台,因为这台机器比较贵,所以专门做了一个保护罩盖着它,公司要求每次上下班打卡时都要先打开盖子,打卡后再盖上盖子。

可是偏偏这个盖子非常牢固,打开关闭要费很大力气,打卡可能只要 1 秒钟,而开关盖子却需要四五秒钟,大部分时间都浪费在了毫无意义的开关盖子操作上了。

可想而知,平常还好说,一到上下班的点在打卡机前就会排起长队,每个人都要重复“开盖 - 打卡 - 关盖”的三个步骤,你说着急不着急。

在这个比喻里,打卡机就相当于服务器,盖子的开关就是 TCP 的连接与关闭,而每个打卡的人就是 HTTP 请求,很显然,短连接的缺点严重制约了服务器的服务能力,导致它无法处理更多的请求。

# 长连接

针对短连接暴露出的缺点,HTTP 协议就提出了“长连接”的通信方式,也叫“持久连接”(persistent connections)、“连接保活”(keep alive)、“连接复用”(connection reuse)。

其实解决办法也很简单,用的就是“成本均摊”的思路,既然 TCP 的连接和关闭非常耗时间,那么就把这个时间成本由原来的一个“请求 - 应答”均摊到多个“请求 - 应答”上。

这样虽然不能改善 TCP 的连接效率,但基于“分母效应”,每个“请求 - 应答”的无效时间就会降低不少,整体传输效率也就提高了。

这里我画了一个短连接与长连接的对比示意图。

在短连接里发送了三次 HTTP“请求 - 应答”,每次都会浪费 60% 的 RTT 时间。而在长连接的情况下,同样发送三次请求,因为只在第一次时建立连接,在最后一次时关闭连接,所以浪费率就是“3÷9≈33%”,降低了差不多一半的时间损耗。显然,如果在这个长连接上发送的请求越多,分母就越大,利用率也就越高。

继续用刚才的打卡机的比喻,公司也觉得这种反复“开盖 - 打卡 - 关盖”的操作太“反人类”了,于是颁布了新规定,早上打开盖子后就不用关上了,可以自由打卡,到下班后再关上盖子。

这样打卡的效率(即服务能力)就大幅度提升了,原来一次打卡需要五六秒钟,现在只要一秒就可以了,上下班时排长队的景象一去不返,大家都开心。

# 连接相关的头字段

由于长连接对性能的改善效果非常显著,所以在 HTTP/1.1 中的连接都会默认启用长连接。不需要用什么特殊的头字段指定,只要向服务器发送了第一次请求,后续的请求都会重复利用第一次打开的 TCP 连接,也就是长连接,在这个连接上收发数据。

当然,我们也可以在请求头里明确地要求使用长连接机制,使用的字段是Connection,值是“keep-alive”。

不过不管客户端是否显式要求长连接,如果服务器支持长连接,它总会在响应报文里放一个“Connection: keep-alive”字段,告诉客户端:“我是支持长连接的,接下来就用这个 TCP 一直收发数据吧”。

不过长连接也有一些小缺点,问题就出在它的“长”字上。

因为 TCP 连接长时间不关闭,服务器必须在内存里保存它的状态,这就占用了服务器的资源。如果有大量的空闲长连接只连不发,就会很快耗尽服务器的资源,导致服务器无法为真正有需要的用户提供服务。

所以,长连接也需要在恰当的时间关闭,不能永远保持与服务器的连接,这在客户端或者服务器都可以做到。

在客户端,可以在请求头里加上“Connection: close”字段,告诉服务器:“这次通信后就关闭连接”。服务器看到这个字段,就知道客户端要主动关闭连接,于是在响应报文里也加上这个字段,发送之后就调用 Socket API 关闭 TCP 连接

服务器端通常不会主动关闭连接,但也可以使用一些策略。拿 Nginx 来举例,它有两种方式:

使用“keepalive_timeout”指令,设置长连接的超时时间,如果在一段时间内连接上没有任何数据收发就主动断开连接,避免空闲连接占用系统资源。

使用“keepalive_requests”指令,设置长连接上可发送的最大请求次数。比如设置成 1000,那么当 Nginx 在这个连接上处理了 1000 个请求后,也会主动断开连接。 另外,客户端和服务器都可以在报文里附加通用头字段“Keep-Alive: timeout=value”,限定长连接的超时时间。但这个字段的约束力并不强,通信的双方可能并不会遵守,所以不太常见。

# 队头阻塞

看完了短连接和长连接,接下来就要说到著名的“队头阻塞”(Head-of-line blocking,也叫“队首阻塞”)了。

“队头阻塞”与短连接和长连接无关,而是由 HTTP 基本的“请求 - 应答”模型所导致的。

因为 HTTP 规定报文必须是“一发一收”,这就形成了一个先进先出的“串行”队列。队列里的请求没有轻重缓急的优先级,只有入队的先后顺序,排在最前面的请求被最优先处理。

如果队首的请求因为处理的太慢耽误了时间,那么队列里后面的所有请求也不得不跟着一起等待,结果就是其他的请求承担了不应有的时间成本

还是用打卡机做个比喻。

上班的时间点上,大家都在排队打卡,可这个时候偏偏最前面的那个人遇到了打卡机故障,怎么也不能打卡成功,急得满头大汗。等找人把打卡机修好,后面排队的所有人全迟到了

# 性能优化

因为“请求 - 应答”模型不能变,所以“队头阻塞”问题在 HTTP/1.1 里无法解决,只能缓解,有什么办法呢?

公司里可以再多买几台打卡机放在前台,这样大家可以不用挤在一个队伍里,分散打卡,一个队伍偶尔阻塞也不要紧,可以改换到其他不阻塞的队伍。

这在 HTTP 里就是“并发连接”(concurrent connections),也就是同时对一个域名发起多个长连接,用数量来解决质量的问题。

但这种方式也存在缺陷。如果每个客户端都想自己快,建立很多个连接,用户数×并发数就会是个天文数字。服务器的资源根本就扛不住,或者被服务器认为是恶意攻击,反而会造成“拒绝服务”。

所以,HTTP 协议建议客户端使用并发,但不能“滥用”并发。RFC2616 里明确限制每个客户端最多并发 2 个连接。不过实践证明这个数字实在是太小了,众多浏览器都“无视”标准,把这个上限提高到了 6~8。后来修订的 RFC7230 也就“顺水推舟”,取消了这个“2”的限制。

但“并发连接”所压榨出的性能也跟不上高速发展的互联网无止境的需求,还有什么别的办法吗?

公司发展的太快了,员工越来越多,上下班打卡成了迫在眉睫的大问题。前台空间有限,放不下更多的打卡机了,怎么办?那就多开几个打卡的地方,每个楼层、办公区的入口也放上三四台打卡机,把人进一步分流,不要都往前台挤。

这个就是“域名分片”(domain sharding)技术,还是用数量来解决质量的思路。

HTTP 协议和浏览器不是限制并发连接数量吗?好,那我就多开几个域名,比如 shard1.chrono.com、shard2.chrono.com,而这些域名都指向同一台服务器 www.chrono.com,这样实际长连接的数量就又上去了,真是“美滋滋”。不过实在是有点“上有政策,下有对策”的味道

# 小结

  • 早期的 HTTP 协议使用短连接,收到响应后就立即关闭连接,效率很低;
  • HTTP/1.1 默认启用长连接,在一个连接上收发多个请求响应,提高了传输效率;
  • 服务器会发送“Connection: keep-alive”字段表示启用了长连接;
  • 报文头里如果有“Connection: close”就意味着长连接即将关闭;
  • 过多的长连接会占用服务器资源,所以服务器会用一些策略有选择地关闭长连接;
  • “队头阻塞”问题会导致性能下降,可以用“并发连接”和“域名分片”技术缓解

Last Updated: 2019/12/7 上午9:27:16