『互联网架构』软件架构-netty之websocket协议应用实践(59)

(一)websocket协议概述

假设我们要实现一个WEB版的聊天室可以采用哪些方案?

1.Ajax轮询去服务器取消息

客户端按照某个时间间隔不断地向服务端发送请求,请求服务端的最新数据然后更新客户端显示。这种方式实际上浪费了大量流量并且对服务端造成了很大压力。

2.Flash XMLSocket

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。

  • 以上方案的弊端

Ajax 轮询:

  1. Http为半双工协议,也就是说同一时刻,只有一个方向的数据传送。
  2. Http消息冗长,包含请求行、请求头、请求体。占用很多的带宽和服务器资源。
  3. 空轮询问题。
  4. 政府项目直接用ajax,别搞那么复杂,它不存在并发问题。

Flash XMLSocket

  1. 客户端必须安装 Flash 播放器,而且浏览器需要授权。
  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。

为了解决上述弊端,Html5定义了WebSocket协义能更好的节省服务器资源和宽带达到实时通信的目的。

  • webSocket 协议简介

webSocket 是html5 开始提供的一种浏览器与服务器间进行全双工二进制通信协议,其基于TCP双向全双工作进行消息传递,同一时刻即可以发又可以接收消息,相比Http的半双工协议性能有很大的提升。

  • webSocket特点如下:
  1. 单一TCP长连接,采用全双工通信模式。
  2. 对代理、防火墙透明,80端口必须打开吧。
  3. 无头部信息、消息更精简。
  4. 通过ping/pong 来保活。
  5. 服务器可以主动推送消息给客户端,不在需要客户轮询。
  • WebSocket 协议报文格式

任何应用协议都有其特有的报文格式,比如Http协议通过 空格 换行组成其报文。如http 协议不同在于WebSocket属于二进制协议,通过规范进二进位来组成其报文。

  • 报文说明:

FIN

标识是否为此消息的最后一个数据包,占 1 bit

RSV1, RSV2, RSV3

用于扩展协议,一般为0,各占1bit

Opcode

数据包类型(frame type),占4bits 0x0:标识一个中间数据包 0x1:标识一个text类型数据包 0x2:标识一个binary类型数据包 0x3-7:保留 0x8:标识一个断开连接类型数据包 0x9:标识一个ping类型数据包 0xA:表示一个pong类型数据包 0xB-F:保留

MASK

占1bits 用于标识PayloadData是否经过掩码处理。如果是1,Masking-key域的数据即是掩码密钥,用于解码 PayloadData。客户端发出的数据帧需要进行掩码处理,所以此位是1。

Payload length

Payload data的长度,占7bits,7+16bits,7+64bits: 如果其值在0-125,则是payload的真实长度。如果值是126,则后面2个字节形成的16bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意,网络字节序,需要转换。如果值是127,则后面8个字节形成的64bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意,网络字节序,需要转换。

Payload data

应用层数据

  • WebSocket 在浏览当中的使用

Http 连接与webSocket 连接建立示意图

通过javaScript 中的API可以直接操作WebSocket 对象

var ws = new WebSocket(“ws://localhost:8080”);ws.onopen = function()// 建⽴成功之后触发的事件{    console.log(“打开连接”);    ws.send("ddd"); // 发送消息};ws.onmessage = function(evt) { // 接收服务器消息    console.log(evt.data);};ws.onclose = function(evt) {    console.log(“WebSocketClosed!”); // 关闭连接};ws.onerror = function(evt) {    console.log(“WebSocketError!”); // 连接异常};

1.申请一个WebSocket对象,并传入WebSocket地址信息,这时client会通过Http先发起握手请求

GET /chat HTTP/1.1Host: server.example.comUpgrade: websocket //告诉服务端需要将通信协议升级到websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== //浏览器base64加密的密钥,server端收到后需要提取Sec-WebSocket-Key 信息,然后加密。Origin: http://example.comSec-WebSocket-Protocol: chat, superchat //表⽰客⼾端请求提供的可供选择的⼦协议Sec-WebSocket-Version: 13 //版本标识

2.服务端响应、并建立连接

HTTP/1.1 101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: SIEylb7zRYJAEgiqJXaOW3V+ZWQ=

3.握手成功促发客户端 onOpen 事件

  • 连接状态查看

通过ws.readyState 可查看当前连接状态可选值

  1. CONNECTING (0):表示还没建立连接。
  2. OPEN (1): 已经建立连接,可以进行通讯。
  3. CLOSING (2):通过关闭握手,正在关闭连接。
  4. CLOSED (3):连接已经关闭或无法打开。

(二)netty实现websocket演示

源码:websocket WebsocketServer.java

package com.dig8.websocket;
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;import io.netty.channel.ChannelFuture;import io.netty.channel.EventLoopGroup;import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;import io.netty.handler.logging.LogLevel;import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
public class WebsocketServer {    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try{            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))                    .childHandler(new WebSocketChannelInitializer());
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8989).sync();            channelFuture.channel().closeFuture().sync();        }finally{            bossGroup.shutdownGracefully();            workerGroup.shutdownGracefully();        }    }}

WebSocketChannelInitializer.java

package com.dig8.websocket;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;import io.netty.channel.ChannelPipeline;import io.netty.channel.socket.SocketChannel;import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerProtocolHandler;import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;

public class WebSocketChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();        //HttpServerCodec: 针对http协议进行编解码        pipeline.addLast("httpServerCodec", new HttpServerCodec());        //ChunkedWriteHandler分块写处理,文件过大会将内存撑爆        pipeline.addLast("chunkedWriteHandler", new ChunkedWriteHandler());        /**         * 作用是将一个Http的消息组装成一个完成的HttpRequest或者HttpResponse,那么具体的是什么         * 取决于是请求还是响应, 该Handler必须放在HttpServerCodec后的后面         */        pipeline.addLast("httpObjectAggregator", new HttpObjectAggregator(8192));
        //用于处理websocket, /ws为访问websocket时的uri        pipeline.addLast("webSocketServerProtocolHandler", new WebSocketServerProtocolHandler("/ws"));
        pipeline.addLast("myWebSocketHandler", new WebSocketHandler());    }}

WebSocketHandler.java

package com.dig8.websocket;
import io.netty.channel.Channel;import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import java.util.Date;

public class WebSocketHandler extends SimpleChannelInboundHandler<TextWebSocketFrame> {
    @Override    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, TextWebSocketFrame msg) throws Exception {        Channel channel = ctx.channel();        System.out.println(channel.remoteAddress() + ": " + msg.text());        ctx.channel().writeAndFlush(new TextWebSocketFrame("来自服务端: " + new Date().toString()));    }
    @Override    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        System.out.println("ChannelId" + ctx.channel().id().asLongText());    }
    @Override    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {        System.out.println("用户下线: " + ctx.channel().id().asLongText());    }
    @Override    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {        ctx.channel().close();    }}

test.html

<!DOCTYPE html><html><head>    <meta charset="UTF-8">    <title>Socket</title>    <script type="text/javascript">        var websocket;
        //如果浏览器支持WebSocket        if(window.WebSocket){            websocket = new WebSocket("ws://localhost:8989/ws");  //获得WebSocket对象
            //当有消息过来的时候触发            websocket.onmessage = function(event){                var respMessage = document.getElementById("respMessage");                respMessage.value = respMessage.value + "\n" + event.data;            }
            //连接关闭的时候触发            websocket.onclose = function(event){                var respMessage = document.getElementById("respMessage");                respMessage.value = respMessage.value + "\n断开连接";            }
            //连接打开的时候触发            websocket.onopen = function(event){                var respMessage = document.getElementById("respMessage");                respMessage.value = "建立连接";            }        }else{            alert("浏览器不支持WebSocket");        }
        function sendMsg(msg) { //发送消息            if(window.WebSocket){                if(websocket.readyState == WebSocket.OPEN) { //如果WebSocket是打开状态                    websocket.send(msg); //send()发送消息                }            }else{                return;            }        }    </script></head><body><form onsubmit="return false">    <textarea style="width: 300px; height: 200px;" name="message"></textarea>    <input type="button" onclick="sendMsg(this.form.message.value)" value="发送"><br>    <h3>信息</h3>    <textarea style="width: 300px; height: 200px;" id="respMessage"></textarea>    <input type="button" value="清空" onclick="javascript:document.getElementById('respMessage').value = ''"></form></body></html>

PS:netty的实现http和websocket基本也就说到这里,具体netty实现RPC这块我没演示,我感觉没必要成熟的框架都是基于netty实现的自己在现实个RPC真没必要,如果想看netty实现RPC直接看dubbo源码就可以了,下次一起说说消息中间件rocketmq。

原文发布于微信公众号 - 编程坑太多(idig88)

原文发表时间:2019-05-24

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