Python Web学习笔记之WebSocket原理说明

众所周知,Web应用的通信过程通常是客户端通过浏览器发出一个请求,服务器端接收请求后进行处理并返回结果给客户端,客户端浏览器将信息呈现。这种机制对于信息变化不是特别频繁的应用可以良好支撑,但对于实时要求高、海量并发的应用来说显得捉襟见肘,尤其在当前业界移动互联网蓬勃发展的趋势下,高并发与用户实时响应是Web应用经常面临的问题,比如金融证券的实时信息、Web导航应用中的地理位置获取、社交网络的实时消息推送等。

传统的请求-响应模式的Web开发在处理此类业务场景时,通常采用实时通讯方案。比如常见的轮询方案,其原理简单易懂,就是客户端以一定的时间间隔频繁请求的方式向服务器发送请求,来保持客户端和服务器端的数据同步。其问题也很明显:当客户端以固定频率向服务器端发送请求时,服务器端的数据可能并没有更新,带来很多无谓请求,浪费带宽,效率低下。

基于Flash,AdobeFlash通过自己的Socket实现完成数据交换,再利用Flash暴露出相应的接口给JavaScript调用,从而达到实时传输目的。此方式比轮询要高效,且因为Flash安装率高,应用场景广泛。然而,移动互联网终端上Flash的支持并不好:IOS系统中无法支持Flash,Android虽然支持Flash但实际的使用效果差强人意,且对移动设备的硬件配置要求较高。2012年Adobe官方宣布不再支持Android4.1+系统,宣告了Flash在移动终端上的死亡。

传统的Web模式在处理高并发及实时性需求的时候,会遇到难以逾越的瓶颈,需要一种高效节能的双向通信机制来保证数据的实时传输。在此背景下,基于HTML5规范的、有Web TCP之称的 WebSocket应运而生。早期HTML5并没有形成业界统一的规范,各个浏览器和应用服务器厂商有着各异的类似实现,如IBM的MQTT、Comet开源框架等。直到2014年,HTML5终于尘埃落地,正式落实为实际标准规范,各个应用服务器及浏览器厂商逐步开始统一,在 JavaEE7中也实现了WebSocket协议。至此无论是客户端还是服务端的WebSocket都已完备。用户可以查阅HTML5规范,熟悉新的HTML协议规范及WebSocket支持。

一、为什么需要 WebSocket?

初次接触 WebSocket 的人,都会问同样的问题:我们已经有了 HTTP 协议,为什么还需要另一个协议?它能带来什么好处?

答案很简单,因为 HTTP 协议有一个缺陷:通信只能由客户端发起。

举例来说,我们想了解今天的天气,只能是客户端向服务器发出请求,服务器返回查询结果。HTTP 协议做不到服务器主动向客户端推送信息。

这种单向请求的特点,注定了如果服务器有连续的状态变化,客户端要获知就非常麻烦。我们只能使用"轮询":每隔一段时候,就发出一个询问,了解服务器有没有新的信息。最典型的场景就是聊天室。

轮询的效率低,非常浪费资源(因为必须不停连接,或者 HTTP 连接始终打开)。因此,工程师们一直在思考,有没有更好的方法。WebSocket 就是这样发明的。

WebSocket 机制

以下简要介绍一下WebSocket的原理及运行机制。

WebSocket是HTML5下一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信,能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯的目的。它与HTTP一样通过已建立的TCP连接来传输数据,但是它和HTTP最大不同是:

  • WebSocket是一种双向通信协议。在建立连接后,WebSocket服务器端和客户端都能主动向对方发送或接收数据,就像Socket一样;
  • WebSocket需要像TCP一样,先建立连接,连接成功后才能相互通信。

上图对比可以看出,相对于传统HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式,WebSocket是类似Socket的TCP长连接通讯模式。一旦WebSocket连接建立后,后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端中断连接前,不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下,极大的节省了网络带宽资源的消耗,有明显的性能优势,且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起,实时性优势明显。

相比HTTP长连接,WebSocket有以下特点:

  • 是真正的全双工方式,建立连接后客户端与服务器端是完全平等的,可以互相主动请求。而HTTP长连接基于HTTP,是传统的客户端对服务器发起请求的模式。
  • HTTP长连接中,每次数据交换除了真正的数据部分外,服务器和客户端还要大量交换HTTP header,信息交换效率很低。Websocket协议通过第一个request建立了TCP连接之后,之后交换的数据都不需要发送 HTTP header就能交换数据,这显然和原有的HTTP协议有区别所以它需要对服务器和客户端都进行升级才能实现(主流浏览器都已支持HTML5)。此外还有 multiplexing、不同的URL可以复用同一个WebSocket连接等功能。这些都是HTTP长连接不能做到的。

下面再通过客户端和服务端交互的报文对比WebSocket通讯与传统HTTP的不同点:

在客户端,new WebSocket实例化一个新的WebSocket客户端对象,请求类似 ws://yourdomain:port/path 的服务端WebSocket URL,客户端WebSocket对象会自动解析并识别为WebSocket请求,并连接服务端端口,执行双方握手过程,客户端发送数据格式类似:

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1
Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==
Origin: http://localhost:8080
Sec-WebSocket-Version: 13

可以看到,客户端发起的WebSocket连接报文类似传统HTTP报文,Upgrade:websocket参数值表明这是WebSocket类型请求,Sec-WebSocket-Key是WebSocket客户端发送的一个 base64编码的密文,要求服务端必须返回一个对应加密的Sec-WebSocket-Accept应答,否则客户端会抛出Error during WebSocket handshake错误,并关闭连接。

服务端收到报文后返回的数据格式类似:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=

Sec-WebSocket-Accept的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,HTTP/1.1 101 Switching Protocols表示服务端接受WebSocket协议的客户端连接,经过这样的请求-响应处理后,两端的WebSocket连接握手成功, 后续就可以进行TCP通讯了。用户可以查阅WebSocket协议栈了解WebSocket客户端和服务端更详细的交互数据格式。

在开发方面,WebSocket API 也十分简单:只需要实例化 WebSocket,创建连接,然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息。在WebSocket 实现及案例分析部分可以看到详细的 WebSocket API 及代码实现。

你可以把 WebSocket 看成是 HTTP 协议为了支持长连接所打的一个大补丁,它和 HTTP 有一些共性,是为了解决 HTTP 本身无法解决的某些问题而做出的一个改良设计。在以前 HTTP 协议中所谓的 keep-alive connection 是指在一次 TCP 连接中完成多个 HTTP 请求,但是对每个请求仍然要单独发 header;所谓的 polling 是指从客户端(一般就是浏览器)不断主动的向服务器发 HTTP 请求查询是否有新数据。这两种模式有一个共同的缺点,就是除了真正的数据部分外,服务器和客户端还要大量交换 HTTP header,信息交换效率很低。它们建立的“长连接”都是伪.长连接,只不过好处是不需要对现有的 HTTP server 和浏览器架构做修改就能实现。

WebSocket 解决的第一个问题是,通过第一个 HTTP request 建立了 TCP 连接之后,之后的交换数据都不需要再发 HTTP request了,使得这个长连接变成了一个真.长连接。但是不需要发送 HTTP header就能交换数据显然和原有的 HTTP 协议是有区别的,所以它需要对服务器和客户端都进行升级才能实现。在此基础上 WebSocket 还是一个双通道的连接,在同一个 TCP 连接上既可以发也可以收信息。此外还有 multiplexing 功能,几个不同的 URI 可以复用同一个 WebSocket 连接。这些都是原来的 HTTP 不能做到的。

另外说一点技术细节,因为看到有人提问 WebSocket 可能进入某种半死不活的状态。这实际上也是原有网络世界的一些缺陷性设计。上面所说的 WebSocket 真.长连接虽然解决了服务器和客户端两边的问题,但坑爹的是网络应用除了服务器和客户端之外,另一个巨大的存在是中间的网络链路。一个 HTTP/WebSocket 连接往往要经过无数的路由,防火墙。你以为你的数据是在一个“连接”中发送的,实际上它要跨越千山万水,经过无数次转发,过滤,才能最终抵达终点。在这过程中,中间节点的处理方法很可能会让你意想不到。

比如说,这些坑爹的中间节点可能会认为一份连接在一段时间内没有数据发送就等于失效,它们会自作主张的切断这些连接。在这种情况下,不论服务器还是客户端都不会收到任何提示,它们只会一厢情愿的以为彼此间的红线还在,徒劳地一边又一边地发送抵达不了彼岸的信息。而计算机网络协议栈的实现中又会有一层套一层的缓存,除非填满这些缓存,你的程序根本不会发现任何错误。这样,本来一个美好的 WebSocket 长连接,就可能在毫不知情的情况下进入了半死不活状态。

而解决方案,WebSocket 的设计者们也早已想过。就是让服务器和客户端能够发送 Ping/Pong Frame(RFC 6455 - The WebSocket Protocol)。这种 Frame 是一种特殊的数据包,它只包含一些元数据而不需要真正的 Data Payload,可以在不影响 Application 的情况下维持住中间网络的连接状态。

参考1

参考2

参考3

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