【Android开发】如何实现android和服务器长连接呢?推送消息的原理

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前言:现在的大多数移动端应用都有实时得到消息的能力,简单来说,有发送消息的主动权和接受消息的被动权。例如:微信,QQ,天气预报等等,相信好处和用户体验相信大家都知道吧。


提出问题:这种功能必须涉及client(客户端)和server(服务器),所以到底client如何和server实现实时连接通讯?


分析问题:这种功能实际上就是数据同步,同时要考虑手机本身、电量、网络流量等等限制因素,所以通常在移动端上有一下两个解决方案:
1.一种是定时去server查询数据,通常是使用HTTP协议来访问web服务器,称Polling(轮询);
2.还有一种是移动端和服务器建立长连接,使用XMPP长连接,称Push(推送)。(按照本人理解:客户端的实现时:

while(true) {

 request(timeout);

 request(timeout);

}

客户端发出一个“长”请求,如果服务器发送消息或者时间out了,客户端就断开这个请求,再建立一个长请求



从耗费的电量、流量和数据延迟性各方面来说,Push有明显的优势。但是使用Push的缺点是:
对于客户端:实现和维护相对成本高,在移动无线网络下维护长连接,相对有一些技术上的开发难度。
对于服务器:如何实现多核并发,cpu作业调度,数量庞大的长连接并发维护等技术,仍存在开发难点。

在讲述Push方案的原理前,我们先了解一下移动无线网络的特点。
移动无线网络的特点:
因为 IP v4 的 IP 量有限,运营商分配给手机终端的 IP 是运营商内网的 IP,手机要连接 Internet,就需要通过运营商的网关做一个网络地址转换(Network Address Translation,NAT)。简单的说运营商的网关需要维护一个外网 IP、端口到内网 IP、端口的对应关系,以确保内网的手机可以跟 Internet 的服务器通讯
 
原理图如下:

                                                  【Android开发】如何实现android和服务器长连接呢?推送消息的原理

GGSN(Gateway GPRS Support Node 网关GPRS支持结点)模块就实现了NAT功能。
因为大部分移动无线网络运营商都是为了减少网关的NAT映射表的负荷,所以如果发现链路中有一段时间没有数据通讯时,会删除其对应表,造成链路中断。(关于NAT的作用及其原理可以查看我的另一篇博文:关于使用UDP(TCP)跨局域网,NAT穿透的心得)
 
Push在Android平台上长连接的实现:
既然我们知道我们移动端要和Internet进行通信,必须通过运营商的网关,所以,为了不让NAT映射表失效,我们需要定时向Internet发送数据,因为只是为了不然NAT映射表失效,所以只需发送长度为0的数据即可。

这时候就要用到定时器,在android系统上,定时器通常有一下两种:
1.java.util.Timer
2.android.app.AlarmManager

分析:
Timer:可以按照计划或者时间周期来执行相关的任务。但是Timer需要用WakeLock来让CPU保持唤醒状态,才能保证任务的执行,这样子会消耗大量流量;当CPU处于休眠的时候,就不能唤醒执行任务,所以应用于移动端明显是不合适。

AlarmManager:AlarmManager类是属于android系统封装好来管理RTC模块的管理类。这里就涉及到RTC模块,要更好地了解两者的区别,就要明白两者真正的区别。
RTC(Real- Time Clock)实时闹钟在一个嵌入式系统中,通常采用RTC 来提供可靠的系统时间,包括时分秒和年月日等;而且要求在系统处于关机状态下它也能够正常工作(通常采用后备电池供电),它的外围也不需要太多的辅助电路,典型的就是只需要一个高精度的32.768KHz 晶体和电阻电容等。(如果对这方面感兴趣,可以自己查阅相关资料,这里就说个大概)
好了,回来正题。所以,AlarmManager又称全局定时闹钟。这意味着,当我用使用AlarmManager来定时执行任务,CPU可以正常地休眠,只有在执行任务是,才唤醒CPU,这个过程是很短时间的。
下面简单来说明其使用:
1.类似于Timer功能:
//获得闹钟管理器
AlarmManager am = (AlarmManager)getSystemService(ALARM_SERVICE);
//设置任务执行计划
am.setRepeating(AlarmManager.ELAPSED_REALTIME, firstTime, 5*1000, sender);//从firstTime才开始执行,每隔5秒再执行

2.实现全局定时功能:
//获得闹钟管理器
AlarmManager am = (AlarmManager)getSystemService(ALARM_SERVICE);
//设置任务执行计划
am.setRepeating(AlarmManager.ELAPSED_REALTIME_WAKEUP, firstTime, 5*1000, sender);//从firstTime才开始执行,每隔5秒再执行

总结:在android客户端使用Push推送时,应该使用AlarmManager来实现心跳功能,使其真正实现长连接。


在服务器端的实现:
在服务器端,可以使用很多语言来实现,如C/C++,java,Erlang等等,如我们国内比较好的极光推送(C开发),openfire(java开发)等等。
最近我看了极光推送的介绍和原理,下面我就说说他们是遇到什么难题,然后使用什么技术或者方案来解决呢。

当有大量的手机终端需要与服务器维持长连接时,对服务器的设计会是一个很大的挑战。


假设一台服务器维护10万个长连接,当有1000万用户量时,需要有多达100台的服务器来维护这些用户的长连接,这里还不算用于做备份的服务器,这将会是一个巨大的成本问题。那就需要我们尽可能提高单台服务器接入用户的量,也就是业界已经讨论很久了的 C10K 问题。
C2000K


针对这个问题,他们专门成立了一个项目,命名为C2000K,顾名思义,他们的目标是单机维持200万个长连接。最终他们采用了多消息循环、异步非阻塞的模型,在一台双核、24G内存的服务器上,实现峰值维持超过300万个长连接。




最后总结:
        因为我最近用java在做一个PC、服务器、android的即时通讯系统(说白了就是模仿QQ,后面希望有不同的功能)。我的原则是用别人的原理,自己来实现,这样才更好深入了解一些框架。所以,估计难点是在通讯开发和服务器上的开发,必须深刻了解多消息循环、异步非阻塞的模型。之后我会发表关于这方面的实现。
       在现在的android平台上,已经不是android单机的世界了(我不是说做单机游戏没有前途)。现在都是依靠发展蓬勃的互联网来支撑整个IT体系,所以,要成为一个android应用开发高手,必须朝着android、硬件、云服务这一体系来发展。

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