想象一个场景，你与女友在网上聊天，她问了一句：你爱我吗？然后很忐忑地等你回答。可等了好一段时间，你才收到她的消息，赶紧回复了一句：爱，爱你一万年。又过了好久，你女友才收到你的回复。这时，你说的是什么已经不重要了，准备回去跪键盘吧。可以说这样的用户体验非常的糟糕。
采用轮询拉取消息就会出现上面的场景，而如果采用长连接的方式，服务器可以与客户端建立一条实时的连接，服务器有新消息可以直接推送给客户端，不需要等待客户端请求，这样既保证了实时性，整个系统的抗压能力也优于大量轮询的方式。
什么是长连接通信？
那么，什么是长连接呢？我们都知道短连接是什么，比如我们熟悉的 HTTP 协议，就是使用短连接的方式来请求数据的，它先是建立连接，然后进行数据传输，最后关闭连接。而且只能由客户端主动发起请求，数据传输之后，连接就关闭了，服务端无法主动给客户端发送数据。
而长连接是和短连接相对的，它的过程是：建立连接—>数据传输...（保持连接）……数据传输—>关闭连接。客户端与服务端建立连接之后，客户端和服务端保持住连接不断开，就可以一直在这个连接上传输数据，直到一方主动关闭连接。
如何建立长连接通信？
那怎么建立长连接通信呢？我们常见的网络服务例如 Tomcat、Apache 等主要都是面向短连接的，对长连接支持不是很好。而且长连接需要服务端长期保持连接，如果有大量的连接同时在线，服务端的压力会非常大，所以，就需要一套高性能的网络框架来支撑。幸运的是，有 Netty 这样的异步网络框架来帮助我们管理连接。
你可能多少了解过 Netty，它是基于事件驱动的，易开发、易维护、高性能，完全满足长连接通信的需求。我们使用 Netty 实现我们的服务端，当然也可以实现客户端，但是我们的客户端一般会根据不同的平台采用不同的实现方案。
有服务端，客户端之后，我们还不可以进行通信，因为缺少一个通信协议。我们知道，进行短连接通信的时候采用的是 HTTP 协议，而这次我们要采用 MQTT，一个物联网的标准信息传输协议。它是一个十分轻量级的发布/订阅模型协议，占用网络带宽极小，因为它的固定消息头只占 2 字节，已经被广泛应用于电信、汽车、工业制造等领域。
服务端、协议、客户端，我们都已经知道采用的方案了，来看下整体系统结构：
现在，我们一起动手实现这样一个消息下发服务端吧。我们只需要引入 Netty 的 jar 包即可，代码如下：
<dependency>
<groupId>io.netty</groupId>
<artifactId>netty-all</artifactId>
<version>4.1.54.Final</version>
</dependency>
启动一个 Netty 服务，如同我们正常启动 Java 程序一样：
public static void main(String[] args) {
int port = 1883;
if (args.length >= 1) {
port = Integer.parseInt(args[1]);
}
NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(8);
try {
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
pipeline.addLast(MqttEncoder.INSTANCE);
pipeline.addLast(new MqttDecoder());
//处理MQTT消息
pipeline.addLast(MyMqttHandlers.INSTANCE);
}
});
//启动服务
ChannelFuture future = serverBootstrap.bind(port).sync();
System.out.println("MQTT server start success,port=" + port);
future.channel().closeFuture().sync();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
通过这段代码我们启动了 Netty 长连接服务，服务端口是 1883，客户端可以通过这个端口连接到服务端，Netty 本身已经实现了 TCP 连接的建立、管理以及 MQTT 协议的编码和解码等，我们只需要按照需求实现自己的业务逻辑即可。上述代码中，我们只需要实现 MyMqttHandlers.INSTANCE，来完成我们对客户端连接的认证、Topic 订阅、消息发布、心跳检测等等。
上面的 MyMqttHandlers 类，是我们自定义的 Netty Handler，用来处理 MQTT 业务数据，它继承自 Netty 的适配器 SimpleChannelInboundHandler，仅需覆写我们关心的方法 channelRead0，根据不同的 MQTT 报文类型做处理。
.....
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, MqttMessage msg) {
switch (msg.fixedHeader().messageType()) {
case CONNECT:
connect(ctx, (MqttConnectMessage) msg);
break;
case SUBSCRIBE:
subscribe(ctx, (MqttSubscribeMessage) msg);
break;
case PINGREQ:
pingReq(ctx);
break;
//...处理其他报文
default:
}
}
....
通信报文处理
怎么处理这些报文呢？MQTT 采用的是发布订阅模式的消息通信协议，通过交换预定义的 MQTT 控制报文来通信。这里简单介绍下 MQTT 协议的内容，因为在我们进行编码的时候需要解析消息内容、回复 ACK 消息、发布消息，了解消息结构，可以更好地编码。
MQTT 控制报文由固定报头、可变报头、有效载荷三部分组成，具体格式如下表：
根据 MQTT 3.1.1 规定，固定报头的控制报文类型共有 14 种，我们这次主要使用 CONNECT（连接服务端）、SUBSCRIBE（订阅主题）、PUBLISH（发布消息）、PINGRESP（心跳响应）这四种报文以及对应的 ACK 报文。
CONNECT 报文如何处理？客户端到服务端的网络连接建立后，客户端发送给服务端的第一个报文必须是 CONNECT 报文，这个报文传输设备标识、用户标识、密码等信息，通过这个报文，服务端需判断要不要和客户端连接，常用的方法就是鉴权。如果校验失败，就可以在 ACK 报文中设置状态码 CONNECTION_REFUSED_xxx；检验成功，则设置为 CONNECTION_ACCEPTED。鉴权成功之后，我们就可以把该设备的信息入库保存，实际场景中，我们把设备的实时状态维护在 Redis 中，保证高的吞吐量。
代码如下：
private void connect(ChannelHandlerContext ctx, MqttConnectMessage msg) {
String clientIdentifier = msg.payload().clientIdentifier();
String userName = msg.payload().userName();
String password = new String(msg.payload().passwordInBytes());
//此处可以鉴权
System.out.println(clientIdentifier + " " + userName + " " + password);
//此处保存用户和连接之间的关系
ChannelManager.saveChannelMapping(clientIdentifier, ctx.channel());
MqttFixedHeader connAckFixedHeaderRes = new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK, false, MqttQoS.AT_MOST_ONCE, false, 0);
//连接成功设置为MqttConnectReturnCode.CONNECTION_ACCEPTED，失败可以返回其他状态码
MqttConnAckVariableHeader connAckVariableHeader = new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_ACCEPTED, false);
MqttConnAckMessage ackMessage = new MqttConnAckMessage(connAckFixedHeaderRes, connAckVariableHeader);
ctx.channel().writeAndFlush(ackMessage);
}
SUBSCRIBE 报文一般作为 CONNECT 之后的下一个报文，客户端上报它需要的 Topic，服务端可以根据客户端的订阅情况，针对性地推送消息，这个可以是广播的 Topic（所有用户都可以收到同一个消息的副本），也可以是点对点的（只有一个用户收到此消息）。同时，服务端需要存储 Topic 到 Channel 的关系。代码如下：
private void subscribe(ChannelHandlerContext ctx, MqttSubscribeMessage msg) {
List<MqttTopicSubscription> topics = msg.payload().topicSubscriptions();
//存储客户端订阅的主题
ChannelManager.saveTopics(ctx.channel(),
topics.stream().map(MqttTopicSubscription::topicName).collect(Collectors.toList()));
System.out.println("订阅成功：" + topics);
MqttFixedHeader header = new MqttFixedHeader(MqttMessageType.SUBACK, false, MqttQoS.AT_LEAST_ONCE, false, 0);
MqttMessageIdAndPropertiesVariableHeader variableHeader = new MqttMessageIdAndPropertiesVariableHeader(msg.variableHeader().messageId(), null);
MqttSubAckPayload payload = new MqttSubAckPayload();
MqttSubAckMessage ackMessage = new MqttSubAckMessage(header, variableHeader, payload);
ctx.writeAndFlush(ackMessage);
}
PUBLISH 报文是我们最终的目标报文，服务端需要根据客户端订阅的 Topic 发送这个报文，由于在处理订阅消息时，已经保存了 Topic 和 Channel 的映射，所以推送消息就简单了，只需要找到 Topic 下所有的 Channel，就可以直接写消息到 Channel 中即可，代码如下：
List<Channel> channels = ChannelManager.listChannels(topic);
channels.forEach(channel -> {
MqttPublishVariableHeader variableHeader = new MqttPublishVariableHeader(topic, 0);
ByteBuf payload = Unpooled.copiedBuffer(messageData, StandardCharsets.UTF_8);
MqttFixedHeader fixedHeader = new MqttFixedHeader(MqttMessageType.PUBLISH, false, MqttQoS.AT_LEAST_ONCE, false, 0);
MqttPublishMessage mqttPublishMessage = new MqttPublishMessage(fixedHeader, variableHeader, payload);
channel.writeAndFlush(mqttPublishMessage);
});
为何要处理 PINGREQ 报文？链路上如果长时间没有数据传输，可能会被运营商把链路回收了，所以设备需要在保活期间内至少发送一个报文，如果没有实际的数据需要传输，那么较小的 PINGREQ 就是最佳选择。连接保活时间的取值范围一般为 30 秒~1200 秒。这个可以根据实际情况，不断调整这个值，我的选择是是 60 秒，如果网络环境好，可以设置 500 秒以上。
实际在线上运行的时候，我发现有些客户端就是一直无法连接上，这时可以再结合短轮询做个备用方案，当多次尝试之后，无法连接上 MQTT 服务，可以暂时启动短轮询，保证用户可以收到消息。
好了，到目前我们已经处理完核心功能了，其它类型的控制报文和处理流程也类似，这里就不再赘述了，总体报文交换流程如下图：
长连接通信测试
我们来试一下效果吧，首先我们需要模拟一个客户端，同样的，也可以使用 Netty 实现一个客户端，主要流程和服务端差不多，有一点需要注意的是，客户端需要定时发送心跳到服务端，以保证链路不会因为长时间空闲被系统断开。
测试流程如下：
- 启动服务端，端口在 1883
- 启动客户端，连接到服务端 127.0.0.1:1883
- 客户端订阅 Topic，名称为 demo
- 服务端每隔 1 秒向 demo 发送一个当前时间的消息
看下运行效果：
总结
以上就是我今天的分享，通过 Netty 和 MQTT，我们可以实现一个高性能的消息下发系统，当然，我今天讲的是最基本的功能实现，当连接数超过一台机器的上限时，就需要设计一个可扩展的架构。我把整体的知识点汇总成一张思维导图，供你参考。
