Comet:基于 HTTP 长连接的“服务器推”技术

基于客户端套接口的“服务器推”技术

Flash XMLSocket

如果 Web 应用的用户接受应用只有在安装了 Flash 播放器才能正常运行, 那么使用 Flash 的 XMLSocket 也是一个可行的方案。

这种方案实现的基础是:

  1. Flash 提供了 XMLSocket 类。
  2. JavaScript 和 Flash 的紧密结合:在 JavaScript 可以直接调用 Flash 程序提供的接口。

具体实现方法:在 HTML 页面中内嵌入一个使用了 XMLSocket 类的 Flash 程序。JavaScript 通过调用此 Flash 程序提供的套接口接口与服务器端的套接口进行通信。JavaScript 在收到服务器端以 XML 格式传送的信息后可以很容易地控制 HTML 页面的内容显示。

关于如何去构建充当了 JavaScript 与 Flash XMLSocket 桥梁的 Flash 程序,以及如何在 JavaScript 里调用 Flash 提供的接口,我们可以参考 AFLAX(Asynchronous Flash and XML)项目提供的 Socket Demo 以及 SocketJS(请参见 参考资源)。

Javascript 与 Flash 的紧密结合,极大增强了客户端的处理能力。从 Flash 播放器 V7.0.19 开始,已经取消了 XMLSocket 的端口必须大于 1023 的限制。Linux 平台也支持 Flash XMLSocket 方案。但此方案的缺点在于:

  1. 客户端必须安装 Flash 播放器;
  2. 因为 XMLSocket 没有 HTTP 隧道功能,XMLSocket 类不能自动穿过防火墙;
  3. 因为是使用套接口,需要设置一个通信端口,防火墙、代理服务器也可能对非 HTTP 通道端口进行限制;

不过这种方案在一些网络聊天室,网络互动游戏中已得到广泛使用。

Java Applet 套接口

在客户端使用 Java Applet,通过 java.net.Socket 或 java.net.DatagramSocket 或 java.net.MulticastSocket 建立与服务器端的套接口连接,从而实现“服务器推”。

这种方案最大的不足在于 Java applet 在收到服务器端返回的信息后,无法通过 JavaScript 去更新 HTML 页面的内容。

基于 HTTP 长连接的“服务器推”技术

Comet 简介

浏览器作为 Web 应用的前台,自身的处理功能比较有限。浏览器的发展需要客户端升级软件,同时由于客户端浏览器软件的多样性,在某种意义上,也影响了浏览器新技术的推广。在 Web 应用中,浏览器的主要工作是发送请求、解析服务器返回的信息以不同的风格显示。AJAX 是浏览器技术发展的成果,通过在浏览器端发送异步请求,提高了单用户操作的响应性。但 Web 本质上是一个多用户的系统,对任何用户来说,可以认为服务器是另外一个用户。现有 AJAX 技术的发展并不能解决在一个多用户的 Web 应用中,将更新的信息实时传送给客户端,从而用户可能在“过时”的信息下进行操作。而 AJAX 的应用又使后台数据更新更加频繁成为可能。

图 1. 传统的 Web 应用模型与基于 AJAX 的模型之比较

“服务器推”是一种很早就存在的技术,以前在实现上主要是通过客户端的套接口,或是服务器端的远程调用。因为浏览器技术的发展比较缓慢,没有为“服务器推”的实现提供很好的支持,在纯浏览器的应用中很难有一个完善的方案去实现“服务器推”并用于商业程序。最近几年,因为 AJAX 技术的普及,以及把 IFrame 嵌在“htmlfile“的 ActiveX 组件中可以解决 IE 的加载显示问题,一些受欢迎的应用如 meebo,gmail+gtalk 在实现中使用了这些新技术;同时“服务器推”在现实应用中确实存在很多需求。因为这些原因,基于纯浏览器的“服务器推”技术开始受到较多关注,Alex Russell(Dojo Toolkit 的项目 Lead)称这种基于 HTTP 长连接、无须在浏览器端安装插件的“服务器推”技术为“Comet”。目前已经出现了一些成熟的 Comet 应用以及各种开源框架;一些 Web 服务器如 Jetty 也在为支持大量并发的长连接进行了很多改进。关于 Comet 技术最新的发展状况请参考关于 Comet 的 wiki。

下面将介绍两种 Comet 应用的实现模型。

基于 AJAX 的长轮询(long-polling)方式

如 图 1 所示,AJAX 的出现使得 JavaScript 可以调用 XMLHttpRequest 对象发出 HTTP 请求,JavaScript 响应处理函数根据服务器返回的信息对 HTML 页面的显示进行更新。使用 AJAX 实现“服务器推”与传统的 AJAX 应用不同之处在于:

  1. 服务器端会阻塞请求直到有数据传递或超时才返回。
  2. 客户端 JavaScript 响应处理函数会在处理完服务器返回的信息后,再次发出请求,重新建立连接。
  3. 当客户端处理接收的数据、重新建立连接时,服务器端可能有新的数据到达;这些信息会被服务器端保存直到客户端重新建立连接,客户端会一次把当前服务器端所有的信息取回。
图 2. 基于长轮询的服务器推模型

一些应用及示例如 “Meebo”, “Pushlet Chat” 都采用了这种长轮询的方式。相对于“轮询”(poll),这种长轮询方式也可以称为“拉”(pull)。因为这种方案基于 AJAX,具有以下一些优点:请求异步发出;无须安装插件;IE、Mozilla FireFox 都支持 AJAX。

在这种长轮询方式下,客户端是在 XMLHttpRequest 的 readystate 为 4(即数据传输结束)时调用回调函数,进行信息处理。当 readystate 为 4 时,数据传输结束,连接已经关闭。Mozilla Firefox 提供了对 Streaming AJAX 的支持, 即 readystate 为 3 时(数据仍在传输中),客户端可以读取数据,从而无须关闭连接,就能读取处理服务器端返回的信息。IE 在 readystate 为 3 时,不能读取服务器返回的数据,目前 IE 不支持基于 Streaming AJAX。

基于 Iframe 及 htmlfile 的流(streaming)方式

iframe 是很早就存在的一种 HTML 标记, 通过在 HTML 页面里嵌入一个隐蔵帧,然后将这个隐蔵帧的 SRC 属性设为对一个长连接的请求,服务器端就能源源不断地往客户端输入数据。

图 3. 基于流方式的服务器推模型

上节提到的 AJAX 方案是在 JavaScript 里处理 XMLHttpRequest 从服务器取回的数据,然后 Javascript 可以很方便的去控制 HTML 页面的显示。同样的思路用在 iframe 方案的客户端,iframe 服务器端并不返回直接显示在页面的数据,而是返回对客户端 Javascript 函数的调用,如“<script type="text/javascript">js_func(“data from server ”)</script>”。服务器端将返回的数据作为客户端 JavaScript 函数的参数传递;客户端浏览器的 Javascript 引擎在收到服务器返回的 JavaScript 调用时就会去执行代码。

从 图 3 可以看到,每次数据传送不会关闭连接,连接只会在通信出现错误时,或是连接重建时关闭(一些防火墙常被设置为丢弃过长的连接, 服务器端可以设置一个超时时间, 超时后通知客户端重新建立连接,并关闭原来的连接)。

使用 iframe 请求一个长连接有一个很明显的不足之处:IE、Morzilla Firefox 下端的进度栏都会显示加载没有完成,而且 IE 上方的图标会不停的转动,表示加载正在进行。Google 的天才们使用一个称为“htmlfile”的 ActiveX 解决了在 IE 中的加载显示问题,并将这种方法用到了 gmail+gtalk 产品中。Alex Russell 在 “What else is burried down in the depth's of Google's amazing JavaScript?”文章中介绍了这种方法。Zeitoun 网站提供的 comet-iframe.tar.gz,封装了一个基于 iframe 和 htmlfile 的 JavaScript comet 对象,支持 IE、Mozilla Firefox 浏览器,可以作为参考。(请参见参考资源

使用 Comet 模型开发自己的应用

上面介绍了两种基于 HTTP 长连接的“服务器推”架构,更多描述了客户端处理长连接的技术。对于一个实际的应用而言,系统的稳定性和性能是非常重要的。将 HTTP 长连接用于实际应用,很多细节需要考虑。

不要在同一客户端同时使用超过两个的 HTTP 长连接

我们使用 IE 下载文件时会有这样的体验,从同一个 Web 服务器下载文件,最多只能有两个文件同时被下载。第三个文件的下载会被阻塞,直到前面下载的文件下载完毕。这是因为 HTTP 1.1 规范中规定,客户端不应该与服务器端建立超过两个的 HTTP 连接, 新的连接会被阻塞。而 IE 在实现中严格遵守了这种规定。

HTTP 1.1 对两个长连接的限制,会对使用了长连接的 Web 应用带来如下现象:在客户端如果打开超过两个的 IE 窗口去访问同一个使用了长连接的 Web 服务器,第三个 IE 窗口的 HTTP 请求被前两个窗口的长连接阻塞。

所以在开发长连接的应用时, 必须注意在使用了多个 frame 的页面中,不要为每个 frame 的页面都建立一个 HTTP 长连接,这样会阻塞其它的 HTTP 请求,在设计上考虑让多个 frame 的更新共用一个长连接。

服务器端的性能和可扩展性

一般 Web 服务器会为每个连接创建一个线程,如果在大型的商业应用中使用 Comet,服务器端需要维护大量并发的长连接。在这种应用背景下,服务器端需要考虑负载均衡和集群技术;或是在服务器端为长连接作一些改进。

应用和技术的发展总是带来新的需求,从而推动新技术的发展。HTTP 1.1 与 1.0 规范有一个很大的不同:1.0 规范下服务器在处理完每个 Get/Post 请求后会关闭套接口连接; 而 1.1 规范下服务器会保持这个连接,在处理两个请求的间隔时间里,这个连接处于空闲状态。 Java 1.4 引入了支持异步 IO 的 java.nio 包。当连接处于空闲时,为这个连接分配的线程资源会返还到线程池,可以供新的连接使用;当原来处于空闲的连接的客户发出新的请求,会从线程池里分配一个线程资源处理这个请求。 这种技术在连接处于空闲的机率较高、并发连接数目很多的场景下对于降低服务器的资源负载非常有效。

但是 AJAX 的应用使请求的出现变得频繁,而 Comet 则会长时间占用一个连接,上述的服务器模型在新的应用背景下会变得非常低效,线程池里有限的线程数甚至可能会阻塞新的连接。Jetty 6 Web 服务器针对 AJAX、Comet 应用的特点进行了很多创新的改进,请参考文章“AJAX,Comet and Jetty”(请参见 参考资源)。

控制信息与数据信息使用不同的 HTTP 连接

使用长连接时,存在一个很常见的场景:客户端网页需要关闭,而服务器端还处在读取数据的堵塞状态,客户端需要及时通知服务器端关闭数据连接。服务器在收到关闭请求后首先要从读取数据的阻塞状态唤醒,然后释放为这个客户端分配的资源,再关闭连接。

所以在设计上,我们需要使客户端的控制请求和数据请求使用不同的 HTTP 连接,才能使控制请求不会被阻塞。

在实现上,如果是基于 iframe 流方式的长连接,客户端页面需要使用两个 iframe,一个是控制帧,用于往服务器端发送控制请求,控制请求能很快收到响应,不会被堵塞;一个是显示帧,用于往服务器端发送长连接请求。如果是基于 AJAX 的长轮询方式,客户端可以异步地发出一个 XMLHttpRequest 请求,通知服务器端关闭数据连接。

在客户和服务器之间保持“心跳”信息

在浏览器与服务器之间维持一个长连接会为通信带来一些不确定性:因为数据传输是随机的,客户端不知道何时服务器才有数据传送。服务器端需要确保当客户端不再工作时,释放为这个客户端分配的资源,防止内存泄漏。因此需要一种机制使双方知道大家都在正常运行。在实现上:

  1. 服务器端在阻塞读时会设置一个时限,超时后阻塞读调用会返回,同时发给客户端没有新数据到达的心跳信息。此时如果客户端已经关闭,服务器往通道写数据会出现异常,服务器端就会及时释放为这个客户端分配的资源。
  2. 如果客户端使用的是基于 AJAX 的长轮询方式;服务器端返回数据、关闭连接后,经过某个时限没有收到客户端的再次请求,会认为客户端不能正常工作,会释放为这个客户端分配、维护的资源。
  3. 当服务器处理信息出现异常情况,需要发送错误信息通知客户端,同时释放资源、关闭连接。

Pushlet - 开源 Comet 框架

Pushlet 是一个开源的 Comet 框架,在设计上有很多值得借鉴的地方,对于开发轻量级的 Comet 应用很有参考价值。

观察者模型

Pushlet 使用了观察者模型:客户端发送请求,订阅感兴趣的事件;服务器端为每个客户端分配一个会话 ID 作为标记,事件源会把新产生的事件以多播的方式发送到订阅者的事件队列里。

客户端 JavaScript 库

pushlet 提供了基于 AJAX 的 JavaScript 库文件用于实现长轮询方式的“服务器推”;还提供了基于 iframe 的 JavaScript 库文件用于实现流方式的“服务器推”。

JavaScript 库做了很多封装工作:

  1. 定义客户端的通信状态:STATE_ERRORSTATE_ABORTSTATE_NULLSTATE_READYSTATE_JOINEDSTATE_LISTENING
  2. 保存服务器分配的会话 ID,在建立连接之后的每次请求中会附上会话 ID 表明身份;
  3. 提供了 join()leave()subscribe()、 unsubsribe()listen() 等 API 供页面调用;
  4. 提供了处理响应的 JavaScript 函数接口 onData()onEvent()

网页可以很方便地使用这两个 JavaScript 库文件封装的 API 与服务器进行通信。

客户端与服务器端通信信息格式

pushlet 定义了一套客户与服务器通信的信息格式,使用 XML 格式。定义了客户端发送请求的类型:joinleavesubscribeunsubscribelistenrefresh;以及响应的事件类型:datajoin_acklisten_ackrefreshheartbeaterrorabortsubscribe_ackunsubscribe_ack

服务器端事件队列管理

pushlet 在服务器端使用 Java Servlet 实现,其数据结构的设计框架仍可适用于 PHP、C 编写的后台客户端。

Pushlet 支持客户端自己选择使用流、拉(长轮询)、轮询方式。服务器端根据客户选择的方式在读取事件队列(fetchEvents)时进行不同的处理。“轮询”模式下 fetchEvents() 会马上返回。”流“和”拉“模式使用阻塞的方式读事件,如果超时,会发给客户端发送一个没有新信息收到的“heartbeat“事件,如果是“拉”模式,会把“heartbeat”与“refresh”事件一起传给客户端,通知客户端重新发出请求、建立连接。

客户服务器之间的会话管理

服务端在客户端发送 join 请求时,会为客户端分配一个会话 ID, 并传给客户端,然后客户端就通过此会话 ID 标明身份发出 subscribe 和listen 请求。服务器端会为每个会话维护一个订阅的主题集合、事件队列。

服务器端的事件源会把新产生的事件以多播的方式发送到每个会话(即订阅者)的事件队列里。

小结

本文介绍了如何在现有的技术基础上选择合适的方案开发一个“服务器推”的应用,最优的方案还是取决于应用需求的本身。相对于传统的 Web 应用, 目前开发 Comet 应用还是具有一定的挑战性。

“服务器推”存在广泛的应用需求,为了使 Comet 模型适用于大规模的商业应用,以及方便用户构建 Comet 应用,最近几年,无论是服务器还是浏览器都出现了很多新技术,同时也出现了很多开源的 Comet 框架、协议。需求推动技术的发展,相信 Comet 的应用会变得和 AJAX 一样普及。

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