C# 实现Scoket心跳机制的方法

TCP网络长连接

手机能够使用联网功能是因为手机底层实现了TCP/IP协议，可以使手机终端通过无线网络建立TCP连接。TCP协议可以对上层网络提供接口，使上层网络数据的传输建立在“无差别”的网络之上。

建立起一个TCP连接需要经过“三次握手”：
第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求，断开过程需要经过“四次握手”（过程就不细写了，就是服务器和客户端交互，最终确定断开）

什么是心跳

刚才说到长连接建立连接后，理想状态下是不会断开的，但是由于网络问题，可能导致一方断开后，另一方仍然在发送数据，或者有些客户端长时间不发送消息，服务器还维持这他的客户端不必要的引用，增加了服务器的负荷。因此我们引入了心跳机制。

心跳包之所以叫心跳包是因为：它像心跳一样每隔固定时间发一次，以此来告诉服务器，这个客户端还活着。事实上这是为了保持长连接，至于这个包的内容，是没有什么特别规定的，不过一般都是很小的包，或者只包含包头的一个空包。

总的来说，心跳包主要也就是用于长连接的保活和断线处理。一般的应用下，判定时间在30-40秒比较不错。如果实在要求高，那就在6-9秒。

怎么发送心跳？

心跳包的发送，通常有两种技术

方法1：应用层自己实现的心跳包 

由应用程序自己发送心跳包来检测连接是否正常，大致的方法是：服务器在一个 Timer事件中定时 向客户端发送一个短小精悍的数据包，然后启动一个低级别的线程，在该线程中不断检测客户端的回应， 如果在一定时间内没有收到客户端的回应，即认为客户端已经掉线；同样，如果客户端在一定时间内没 有收到服务器的心跳包，则认为连接不可用。

方法2：TCP的KeepAlive保活机制

因为要考虑到一个服务器通常会连接多个客户端，因此由用户在应用层自己实现心跳包，代码较多 且稍显复杂，而利用TCP／IP协议层为内置的KeepAlive功能来实现心跳功能则简单得多。 不论是服务端还是客户端，一方开启KeepAlive功能后，就会自动在规定时间内向对方发送心跳包， 而另一方在收到心跳包后就会自动回复，以告诉对方我仍然在线。 因为开启KeepAlive功能需要消耗额外的宽带和流量，所以TCP协议层默认并不开启KeepAlive功 能，尽管这微不足道，但在按流量计费的环境下增加了费用，另一方面，KeepAlive设置不合理时可能会 因为短暂的网络波动而断开健康的TCP连接。并且，默认的KeepAlive超时需要7,200，000 MilliSeconds， 即2小时，探测次数为5次。对于很多服务端应用程序来说，2小时的空闲时间太长。因此，我们需要手工开启KeepAlive功能并设置合理的KeepAlive参数。

心跳检测步骤：

1客户端每隔一个时间间隔发生一个探测包给服务器
2客户端发包时启动一个超时定时器
3服务器端接收到检测包，应该回应一个包
4如果客户机收到服务器的应答包，则说明服务器正常，删除超时定时器
5如果客户端的超时定时器超时，依然没有收到应答包，则说明服务器挂了

C#实现的一个简单的心跳

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
 
namespace ConsoleApplication1
{
  // 客户端离线委托
  public delegate void ClientOfflineHandler(ClientInfo client);
 
  // 客户端上线委托
  public delegate void ClientOnlineHandler(ClientInfo client);
 
  public class Program
  {
    /// <summary>
    /// 客户端离线提示
    /// </summary>
    /// <param name="clientInfo"></param>
    private static void ClientOffline(ClientInfo clientInfo)
    {
      Console.WriteLine(String.Format("客户端{0}离线，离线时间：\t{1}", clientInfo.ClientID, clientInfo.LastHeartbeatTime));
    }
 
    /// <summary>
    /// 客户端上线提示
    /// </summary>
    /// <param name="clientInfo"></param>
    private static void ClientOnline(ClientInfo clientInfo)
    {
      Console.WriteLine(String.Format("客户端{0}上线，上线时间：\t{1}", clientInfo.ClientID, clientInfo.LastHeartbeatTime));
    }
 
    static void Main()
    {
      // 服务端
      Server server = new Server();
 
      // 服务端离线事件
      server.OnClientOffline += ClientOffline;
 
      // 服务器上线事件
      server.OnClientOnline += ClientOnline;
 
      // 开启服务器
      server.Start();
 
      // 模拟100个客户端
      Dictionary<Int32, Client> dicClient = new Dictionary<Int32, Client>();
      for (Int32 i = 0; i < 100; i++)
      {
        // 这里传入server只是为了方便而已
        Client client = new Client(i + 1, server);
        dicClient.Add(i + 1, client);
 
        // 开启客户端
        client.Start();
      }
 
      System.Threading.Thread.Sleep(1000);
 
      while (true)
      {
        Console.WriteLine("请输入要离线的ClientID,输入0则退出程序:");
        String clientID = Console.ReadLine();
        if (!String.IsNullOrEmpty(clientID))
        {
          Int32 iClientID = 0;
          Int32.TryParse(clientID, out iClientID);
          if (iClientID > 0)
          {
            Client client;
            if (dicClient.TryGetValue(iClientID, out client))
            {
              // 客户端离线
              client.Offline = true;
            }
          }
          else
          {
            return;
          }
        }
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 服务端
  /// </summary>
  public class Server
  {
    public event ClientOfflineHandler OnClientOffline;
    public event ClientOnlineHandler OnClientOnline;
 
    private Dictionary<Int32, ClientInfo> _DicClient;
 
    /// <summary>
    /// 构造函数
    /// </summary>
    public Server()
    {
      _DicClient = new Dictionary<Int32, ClientInfo>(100);      
    }
 
    /// <summary>
    /// 开启服务端
    /// </summary>
    public void Start()
    {
      // 开启扫描离线线程
      Thread t = new Thread(new ThreadStart(ScanOffline));
      t.IsBackground = true;
      t.Start();
    }
 
    /// <summary>
    /// 扫描离线
    /// </summary>
    private void ScanOffline()
    {
      while (true)
      {
        // 一秒扫描一次
        System.Threading.Thread.Sleep(1000);
 
        lock (_DicClient)
        {
          foreach (Int32 clientID in _DicClient.Keys)
          {
            ClientInfo clientInfo = _DicClient[clientID];
 
            // 如果已经离线则不用管
            if (!clientInfo.State)
            {
              continue;
            }
 
            // 判断最后心跳时间是否大于3秒
            TimeSpan sp = System.DateTime.Now - clientInfo.LastHeartbeatTime;
            if (sp.Seconds >= 3)
            {
              // 离线，触发离线事件
              if (OnClientOffline != null)
              {
                OnClientOffline(clientInfo);
              }
 
              // 修改状态
              clientInfo.State = false;
            }
          }
        }
      }
    }
 
    /// <summary>
    /// 接收心跳包
    /// </summary>
    /// <param name="clientID">客户端ID</param>
    public void ReceiveHeartbeat(Int32 clientID)
    {
      lock (_DicClient)
      {
        ClientInfo clientInfo;
        if (_DicClient.TryGetValue(clientID, out clientInfo))
        {
          // 如果客户端已经上线，则更新最后心跳时间
          clientInfo.LastHeartbeatTime = System.DateTime.Now;
        }
        else
        {
          // 客户端不存在，则认为是新上线的
          clientInfo = new ClientInfo();
          clientInfo.ClientID = clientID;
          clientInfo.LastHeartbeatTime = System.DateTime.Now;
          clientInfo.State = true;
 
          _DicClient.Add(clientID, clientInfo);
 
          // 触发上线事件
          if (OnClientOnline != null)
          {
            OnClientOnline(clientInfo);
          }
        }
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 客户端
  /// </summary>
  public class Client
  {
    public Server Server;
    public Int32 ClientID;
    public Boolean Offline;
 
    /// <summary>
    /// 构造函数
    /// </summary>
    /// <param name="clientID"></param>
    /// <param name="server"></param>
    public Client(Int32 clientID, Server server)
    {
      ClientID = clientID;
      Server = server;
      Offline = false;
    }
 
    /// <summary>
    /// 开启客户端
    /// </summary>
    public void Start()
    {
      // 开启心跳线程
      Thread t = new Thread(new ThreadStart(Heartbeat));
      t.IsBackground = true;
      t.Start();
    }
 
    /// <summary>
    /// 向服务器发送心跳包
    /// </summary>
    private void Heartbeat()
    {
      while (!Offline)
      {
        // 向服务端发送心跳包
        Server.ReceiveHeartbeat(ClientID);
         
        System.Threading.Thread.Sleep(1000);
      }
    }
  }
 
  /// <summary>
  /// 客户端信息
  /// </summary>
  public class ClientInfo
  {
    // 客户端ID
    public Int32 ClientID;
 
    // 最后心跳时间
    public DateTime LastHeartbeatTime;
 
    // 状态
    public Boolean State;
  }
}

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