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WebSocket 原理浅析与实现简单聊天

随着 Web 的发展,用户对于 Web 的实时推送要求也越来越高,在 WebSocket 出现之前,大多数情况下是通过客户端发起轮询来拿到服务端实时更新的数据,因为 HTTP1.x 协议有一个缺陷就是通信只能由客户端发起,服务端没法主动给客户端推送。

这种方式在对实时性要求比较高的场景下,比如即时通讯、即时报价等,显然会十分低效,体验也不好。为了解决这个问题,便出现了 WebSocket 协议,实现了客户端和服务端双向通信的能力。介绍 WebSocket 之前,还是让我们先了解下轮询实现推送的方式。

短轮询(Polling)

短轮询的实现思路就是浏览器端每隔几秒钟向服务器端发送 HTTP 请求,服务端在收到请求后,不论是否有数据更新,都直接进行响应。在服务端响应完成,就会关闭这个 TCP 连接,代码实现也最简单,就是利用 XHR , 通过 setInterval 定时向后端发送请求,以获取最新的数据。

setInterval(function() {
  fetch(url).then((res) => {
      // success code
  })
}, 3000);

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  • 优点:实现简单。
  • 缺点:会造成数据在一小段时间内不同步和大量无效的请求,安全性差、浪费资源。

长轮询(Long-Polling)

客户端发送请求后服务器端不会立即返回数据,服务器端会阻塞请求连接不会立即断开,直到服务器端有数据更新或者是连接超时才返回,客户端才再次发出请求新建连接、如此反复从而获取最新数据。大致效果如下:

客户端代码如下:

function async() {
    fetch(url).then((res) => {
        async();
        // success code
    }).catch(() => {
        // 超时
        async();
    })
}

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  • 优点:比 Polling 做了优化,有较好的时效性。
  • 缺点:保持连接挂起会消耗资源,服务器没有返回有效数据,程序超时。

WebSocket

前面提到的短轮询(Polling)和长轮询(Long-Polling), 都是先由客户端发起 Ajax 请求,才能进行通信,走的是 HTTP 协议,服务器端无法主动向客户端推送信息。 当出现类似体育赛事、聊天室、实时位置之类的场景时,轮询就显得十分低效和浪费资源,因为要不断发送请求,连接服务器。WebSocket 的出现,让服务器端可以主动向客户端发送信息,使得浏览器具备了实时双向通信的能力。 没用过 WebSocket 的人,可能会以为它是个什么高深的技术。其实不然,WebSocket 常用的 API 不多也很容易掌握,不过在介绍如何使用之前,让我们先看看它的通信原理。

通信原理

当客户端要和服务端建立 WebSocket 连接时,在客户端和服务器的握手过程中,客户端首先会向服务端发送一个 HTTP 请求,包含一个 Upgrade 请求头来告知服务端客户端想要建立一个 WebSocket 连接。 在客户端建立一个 WebSocket 连接非常简单:

let ws = new WebSocket('ws://localhost:9000');

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类似于 HTTP 和 HTTPS,ws 相对应的也有 wss 用以建立安全连接,本地已 ws 为例。这时的请求头如下:

Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cache-Control: no-cache
Connection: Upgrade // 表示该连接要升级协议
Cookie: _hjMinimizedPolls=358479; ts_uid=7852621249; CNZZDATA1259303436=1218855313-1548914234-%7C1564625892; csrfToken=DPb4RhmGQfPCZnYzUCCOOade; JSESSIONID=67376239124B4355F75F1FC87C059F8D; _hjid=3f7157b6-1aa0-4d5c-ab9a-45eab1e6941e; acw_tc=76b20ff415689655672128006e178b964c640d5a7952f7cb3c18ddf0064264
Host: localhost:9000
Origin: http://localhost:9000
Pragma: no-cache
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Key: 5fTJ1LTuh3RKjSJxydyifQ==     // 与响应头 Sec-WebSocket-Accept 相对应
Sec-WebSocket-Version: 13   // 表示 websocket 协议的版本
Upgrade: websocket  // 表示要升级到 websocket 协议
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_14_0) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/76.0.3809.132 Safari/537.36

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响应头如下:

Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: ZUip34t+bCjhkvxxwhmdEOyx9hE=
Upgrade: websocket

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此时响应行(General)中可以看到状态码 status code 是 101 Switching Protocols , 表示该连接已经从 HTTP 协议转换为 WebSocket 通信协议。 转换成功之后,该连接并没有中断,而是建立了一个全双工通信,后续发送和接收消息都会走这个连接通道。 注意,请求头中有个 Sec-WebSocket-Key 字段,和相应头中的 Sec-WebSocket-Accept 是配套对应的,它的作用是提供了基本的防护,比如恶意的连接或者无效的连接。Sec-WebSocket-Key 是客户端随机生成的一个 base64 编码,服务器会使用这个编码,并根据一个固定的算法:

GUID = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";    //  一个固定的字符串
accept = base64(sha1(key + GUID));  // key 就是 Sec-WebSocket-Key 值,accept 就是 Sec-WebSocket-Accept 值

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其中 GUID 字符串是 RFC6455 官方定义的一个固定字符串,不得修改。 客户端拿到服务端响应的 Sec-WebSocket-Accept 后,会拿自己之前生成的 Sec-WebSocket-Key 用相同算法算一次,如果匹配,则握手成功。然后判断 HTTP Response 状态码是否为 101(切换协议),如果是,则建立连接,大功告成。

实现简单单聊

下面来实现一个纯文字消息类型的一对一聊天(单聊)功能,废话不多说,直接上代码,注意看注释。 客户端:

function connectWebsocket() {
    ws = new WebSocket('ws://localhost:9000');
    // 监听连接成功
    ws.onopen = () => {
        console.log('连接服务端WebSocket成功');
        ws.send(JSON.stringify(msgData));   // send 方法给服务端发送消息
    };

    // 监听服务端消息(接收消息)
    ws.onmessage = (msg) => {
        let message = JSON.parse(msg.data);
        console.log('收到的消息:', message)
        elUl.innerHTML += `<li class="b">小秋:${message.content}</li>`;
    };

    // 监听连接失败
    ws.onerror = () => {
        console.log('连接失败,正在重连...');
        connectWebsocket();
    };

    // 监听连接关闭
    ws.onclose = () => {
        console.log('连接关闭');
    };
};
connectWebsocket();

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从上面可以看到 WebSocket 实例的 API 很容易理解,简单好用,通过 send() 方法可以发送消息,onmessage 事件用来接收消息,然后对消息进行处理显示在页面上。 当 onerror 事件(监听连接失败)触发时,最好进行执行重连,以保持连接不中断。 服务端 Node : (这里使用 ws 库)

const path = require('path');
const express = require('express');
const app = express();
const server = require('http').Server(app);
const WebSocket = require('ws');

const wss = new WebSocket.Server({ server: server });

wss.on('connection', (ws) => { 

  // 监听客户端发来的消息
  ws.on('message', (message) => {
    console.log(wss.clients.size);
    let msgData = JSON.parse(message);   
    if (msgData.type === 'open') {
      // 初始连接时标识会话
      ws.sessionId = `${msgData.fromUserId}-${msgData.toUserId}`;
    } else {
      let sessionId = `${msgData.toUserId}-${msgData.fromUserId}`;
      wss.clients.forEach(client => {
        if (client.sessionId === sessionId) {
          client.send(message);  // 给对应的客户端连接发送消息
        }
      })  
    }
  })

  // 连接关闭
  ws.on('close', () => {
    console.log('连接关闭');  
  });
});

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同理,服务端也有对应的发送和接收的方法。完整示例代码见 这里 ​ 这样浏览器和服务端就可以愉快的发送消息了,效果如下:

其中绿色箭头表示发出的消息,红色箭头表示收到的消息。

心跳保活

在实际使用 WebSocket 中,长时间不通消息可能会出现一些连接不稳定的情况,这些未知情况导致的连接中断会影响客户端与服务端之前的通信, 为了防止这种的情况的出现,有一种心跳保活的方法:客户端就像心跳一样每隔固定的时间发送一次 ping ,来告诉服务器,我还活着,而服务器也会返回 pong ,来告诉客户端,服务器还活着。ping/pong 其实是一条与业务无关的假消息,也称为心跳包。 ​ 可以在连接成功之后,每隔一个固定时间发送心跳包,比如 60s:

setInterval(() => {
    ws.send('这是一条心跳包消息');
}, 60000)

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总结

通过上面的介绍,大家应该对 WebSocket 有了一定认识,其实并不神秘,这里对文章内容简单总结一下。当创建 WebSocket 实例的时候,会发一个 HTTP 请求,请求报文中有个特殊的字段 Upgrade ,然后这个连接会由 HTTP 协议转换为 WebSocket 协议,这样客户端和服务端建立了全双工通信,通过 WebSocket 的 send 方法和 onmessage 事件就可以通过这条通信连接交换信息。

《Long-Polling》http://www.caishui114.com/

《WebSocket 》http://www.0755dyx.com/

原文链接:https://cloud.tencent.com/developer/article/1553401

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