长连接数据实时推送方案(iOS)

因为业务需求，需要实现实时获取服务端升级的数据功能，基于这个需求，进行调研及技术方案的实施，最终决定采用MQTT +ProtocolBuffer基于长连接的数据实时推送的方案；具体实现方案见本文；
本文包括三个部分：1.技术选型 2.技术方案实践 3.未来优化方向

技术选型

在调研过程中，发现需求功能可以使用推送来实现，但最终经过各种考虑，发现自建长连接进行实时数据推送是最为贴合需求的实现方案；调研过程中，对推送厂家方案及本文方案做了比照，结果如下：

从表格来看，本文方案不过是极光推送和个推的一种简化版，完全可以使用极光推送和个推来实现，或者者是使用推送来进行数据推送；但从需求具体来讲，才更能表现本文方案的可行性及必要性；具体分析如下：

1. 推送方案具备极大的不确定性，消息丢失率比较高
2. 极光推送和个推SDK采用了长连接的方式，但是长连接协议并不可知，且数据传输格式，链接存在状态不受控制
3. 自定方案，因采用MQTT 和 Protocol Buffer两种协议，对弱网情况兼容较好，设施性能要求相对较低，且对数据格式优化比较好，且链接状态完全可控，可以实时监控到链路能否可用，对分析问题、处理问题有很大便利；

技术方案实践

方案流程

整个技术方案大体流程如下图：

推送流程图.png

在整个过程中，消息的实时传送靠推送后端和长连接SDK建立的长连接来实现；而基于本方案实现的SDK则负责和推送后端维持长连接的有效性以及维持长连接的优化功能；

详细流程中涉及到的交互方和交互流程参照下图：

详细交互流程.png

方案架构

在整个数据实时传送方案中，涉及到长连接的建立维护、通信数据按协议封装、业务数据封装及优化等功能，在此对整个方案进行整理，整理之后结构如下：

推送服务SDK层级.png

在整体结构中，分为业务层、应用层、传输层、和网络层，其中业务层、应用层、传输层组成了数据实时推送服务的SDK；
1.业务层：主要解决业务数据，消息存储，消息丢失、重复解决，以及数据格式转化等；
2.应用层：该层为整个SDK的核心层，封装了MQTT协议，以及对断线重连、安全连接等；
3.传输层：该层主要核心为调用系统API实现长连接、数据封包、超时重发等解决；

下面对整个SDK架构层级，以及各层级间包含的板块进行详细整理及说明；如下图：

长连接方案结构图.png

业务层
该层主要处理，数据格式转化，消息丢失、重复，消息存储，数据统计等功能；下边对这些功能逐一详情：

1. 数据格式转化： 此板块负责将ProtocolBuffer类型的数据转化成JSON数据
2. 消息重复、丢失解决：此板块会根据规则判断收到的消息能否重复，或者者在收到该信息之前能否丢过消息，经过解决之后，假如重复则不再传给业务方，假如有消息丢失也将告诉业务方，以便业务方解决相关情况；
3. 消息存储：根据肯定缓存策略对消息进行短时间存储，以便处理消息判重、解决丢失等问题；
4. 数据统计：此板块将对消息进行统计，区分重复、丢失等情况，并将数据上报服务器，方便验证整个方案的可行性和问题等；

应用层
该层命名的来源主要来自于MQTT，因MQTT属于业务层协议，该层的操作绝大部分是对协议的实现以及优化；主要包含 MQTT的实现、心跳机制、断线重连机制、链接状态管理等；

1. MQTT的实现：此板块主要采用三方库MQTTClient，该三方库对MQTT协议进行了完整封装，目前阶段，该方案对MQTT协议的实现暂时依赖该库；
2. 心跳机制：因项目初期，且方案有待验证，此板块暂时使用较为简单的固定心跳机制，设置心跳间隔为60S；对于该心跳间隔，因不确定个经营商的NAT超时时间，故对心跳间隔设置较小，此间隔可能引起手机流量、电量消耗的添加，此板块为后续重点优化板块；
3. 断线重连机制：因存在网络切换、移动网络基站变更、以及网络断开等问题，特提供断线重连机制，此机制目前采用方案为：以2的n次方为时间间隔进行重连，n为重连次数，当n等于6时不再重试；
4. 链接状态管理：此板块负责对应用前端、后端不同状态情况下，链接的解决情况的管理；

传输层
该层主要为调用系统API对Socket数据进行拼接组装，以及发起连接、关闭连接等操作；

对于该方案的具体板块，以上均已详情完毕，以下是对该方案大致流程的梳理，如下图：

数据解决流程.png

此流程展现出了SDK从建立链接、接收数据，经由TCP数据包解决、MQTT通信数据解析，到ProtocolBuffer数据格式解决等大致流程；到此，整个现有方案结束；

未来优化方向

考虑到手机端手机电量、流量、及网络连接不稳固的情况，上述方案显然不是完美的方案，针对上述方案，现有以下规划：

智能心跳策略

因心跳是保证连接存活的必要手段，心跳的存在无须置疑，但是心跳的存在，也必定会添加电量、流量的消耗；在此针对该方案的心跳策略提出以下针对性优化设想，特提出以下方案—智能心跳策略；大致流程如下图：

智能心跳策略.png

断线重连机制优化

因有可能发生服务器异常，造成用户端集体掉线的情况，用户端会立刻发起重连，在客户量较小的情况下，用户端集体重连对于服务端可以承受，但当客户量级达到肯定数量，大量用户端的重连，可能就会产生重连风暴，直接导致服务端再次出现异常，因而对于重连机制也应考虑一个比较合适、能避免重连风暴的策略；

网络连接优化

IP直连、链路复用、控制传输包大小等、