WebSocket 简介及应用实例

HTML5 的出现,标志着后 Flash 时代各种现代浏览器的集体爆发,也是谨防 Adobe 一家独大的各家厂商们,历经多年各自为战,想换个活法儿并终于达成一定共识后,所积kao累bei的技术的一次集中释放 -- 正所谓 “H5 是个筐,什么都可以往里装”。

其中引人瞩目并被广泛支持的一项,就是此次要谈论的WebSocket了。本文将尝试说明它被用来解决什么问题,以及与久经沙场的“传统” Socket 又有什么异同等基础问题。

I. 定义及由来

望文而生义,面对 WebSocket 这个名称, 无需做太多解释,傻傻分不清楚的 看着也是相当的面熟;甭管有没有联系,先来了解一下也无妨:

(1.1) 传统的 Socket API

Socket 往往指的是 TCP/IP 网络环境中的两个连接端,以及为方便此类开发所设计的一组编程 API

如图,英文单词 "socket" 的字面原义是 “孔” 或 “插座”。

作为一个技术用语时, 通常取后一种意思,像一个多孔插座。用于描述一个通信链路两端的 IP 地址和端口等,可以用来实现不同设备之间的通信。、都是通用的叫法,中文一般习惯性的译作“套接字”、“TCP套接字”等。

...至于为嘛把“插座儿”翻译成“套接字”,好奇的程序猿并不在少数,科考文章在文章底部参考链接中可以找到。

可以将服务端主机想象成一个布满各种插座的房间,每个插座有一个编号,有的插座提供 220 伏交流电,有的提供固定电话信号,有的则提供有线电视节目。客户端软件将插头接入不同编号的插座,就可以得到不同的服务

Socket API 所处的楼层

OSI 模型作为一种概念模型,由国际标准化组织(ISO)提出,一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。我们熟悉的 HTTP、FTP 等协议都工作在最顶端的应用层(Application Layer)。

TCP/IP 协议族(Protocol Suite)将软件通信过程抽象化为四个抽象层,常被视为是简化的七层OSI模型。当多个层次的协议共同工作时,类似数据结构中的堆栈,因此又被称为TCP/IP 协议栈(Protocol Stack)

单说 TCP 的话,指的是面向连接的一种传输控制协议。TCP 连接之后,客户端和服务器可以互相发送和接收消息,在客户端或者服务器没有主动断开之前,连接一直存在,故称为长连接。

Socket 其实并不是一个标准的协议,而是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口,工作位置基本在 OSI 模型会话层(第5层),是为了方便大家直接使用更底层协议(一般是 TCP 或 UDP )而存在的一个抽象层。

在设计模式中,Socket其实就是一个门面(facade)模式,它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket API 后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让 Socket 去组织数据,以符合指定的协议

最早的一套 Socket API 是采用 C 语言实现的,也就成为了 Socket 的事实标准。

常见的 Socket API 实现

一些语言的实现

传统的后端编程语言基本都有 Socket API 的封装;而在 HTML5 出现之前,要想用纯前端技术实现 TCP Socket 的客户端,也基本只有 Java Applet ( 或 或 ) 、Flash ( 或 ) 或 Silverlight() 等可以选择。

下面以 PHP 的 服务器/客户端 实现为例,演示一个最基础的例子:

(1.2) HTML5 带来的 WebSocket 协议

为 C/S 两端提供了实时交互通信的能力,允许服务器主动发送信息给客户端,是一种区别于 HTTP 的全新双向数据流协议

web + socket ?

简单的说,传统的 TCP Socket 是一套相对标准化的 API,而出现时间不久的 WebSocket 是一种网络协议-- 两码事。

WebSocket 底层是基于 TCP 协议的,所以早期草案中叫做 TCPConnection,最后之所以改名,其实是借用了传统 Socket 沟通 TCP 网络两端的意思而已。

要解决的问题

HTTP 的工作方式

在基于 请求/响应 模式的 HTTP/HTTPS 下,如果是对实时性要求较高的场景,客户端就需要不停的询问服务端有无可用的数据,这在各方面都是笨拙而不划算的。

WebSocket 的工作方式

而在 WebSocket 的全双工(允许数据在两个方向上同时传输)方式下,客户端只要静静地听招呼即可,有可用数据时服务端会自动通知它。

与 WebSocket 类似的技术

实际上,每当谈到实时双向通信的问题时,我们自然会想起历年来一些基于 HTTP 技术的尝试;也正是基于这些之前工作中的实践和困扰,WebSocket 才应运而生。让我们大概回顾一下相关的方案及其缺陷:

轮询 (Polling)

借助于 setInterval() 等方式,客户端不断的发送请求并得到响应。这种做法比较简单,可以在一定程度上解决问题。不过对于轮询的时间间隔需要进行仔细考虑。轮询的间隔过长,会导致用户不能及时接收到更新的数据;轮询的间隔过短,会导致查询请求过多,增加服务器端的负担。

长轮询 (Long Polling)

这是对轮询的一种改进。客户端发出请求后,服务器端用 while(true) 等方式阻塞住请求,直到有可用数据才发送响应数据,而客户端收到响应后再发送下一个请求。

这种方式又被成为 “Hanging GET”、“反向 Ajax” 或 “Comet” 等,虽然看上去很像服务器推送,但仍然是基于 HTTP 的一种慢响应;且在数据更新频繁的情况下,其效率并不优于一般的轮询。

HTTP 流 (Streaming)

使用 HTTP 1.1 且响应头中包含 的情况下,服务器发送给客户端的数据可以分成多个部分,保持打开(while-true, sleep等),并周期性 flush() 分块传输。

客户端只发送一个HTTP连接,在 xhr.readyState==3 状态下,用 xhr.responseText.substring 获取每次的数据。

但是数据响应可能会因 代理服务器 或 防火墙 等中间人造成延迟,所以可能还要额外探测这种情况以切换到长轮询方式。

SSE (Server-Sent Events)

SSE 规范也是 HTML 5 规范的一个组成部分。服务器端响应的内容类型是,在浏览器端使用 对象处理返回的数据。

比之于 WebSocket,SSE 的缺点在于:

不支持 CORS

单向通道,只能服务器向浏览器端发送

浏览器兼容性稍差

WebSocket 的用武之地

大部分传统的方式既浪费带宽(HTTP HEAD 是比较大的),又消耗服务器 CPU 占用(没有信息也要接受请求);而 WebSocket 则会大幅降低上述的消耗,更适用于以下场景:

实时性要求高的应用

聊天室

IoT (物联网 - internet of things)

在线多人游戏

兼容性也令人满意,非要说何时不适用的话,大概就是少数必须兼容老旧浏览器,或者对实时要求明显不高的情况下了。

HTTP 的扩展

WebSocket 连接的 URL 使用 或 等开头,其加密、cookie 等策略和对应的 HTTP/HTTPS 基本相同。

HTTP、WebSocket 等应用层协议,都是基于 TCP 协议来传输数据的,可以把这些高级协议理解成对 TCP 的封装。

在 HTTP 下,客户端不发请求的话,服务器永远无法发送数据给客户端。

而对于 WebSocket 来说,它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手,以兼容浏览器的规范;可以将之视为 HTTP 的一种补充和升级。

在进行第一次 HTTP 请求之后,后续的就全部采用 TCP 通道进行双向通讯了。所以,HTTP 和 WebSocket 虽都基于 TCP 协议,却是完全不同的两种通讯方式。

来看个典型的 WebSocket 握手请求:

服务器响应则是:

其中第一个关键点是 和 请求响应头,表示请求和确认切换到 WebSocket 协议;

是一个固定的版本号;

而请求头 为浏览器随机生成的 Base64 编码,将之附加上一个固定为 的“魔法字符串”,再计算SHA-1摘要并进行BASE-64编码,就是响应中的 了。 ╮(╯▽╰)╭

浏览器中的实现

在浏览器中可以直接调用 对象,其定义如下:

使用起来大概是这样的:

II. 一个多用户交互的 WebSocket 实例

这里随便设想一个用户场景,比如我们要做一个在线纸牌游戏,肯定就是一个多人进入同一个房间的形式,并且每个人的动作能广播给其他人。

下面用 WebSocket 做一个最基础的验证原型,让每个玩家知道其他人的进入、离开、出牌、悔牌,甚至是耍赖换牌等:

(2.1) 服务器端的实现

我们用 nodejs+expressjs 搭建基础服务器,并用 https://github.com/websockets/ws 封装的库实现 WebSocket 协议的服务器端逻辑:

(2.2) 客户端的实现

(2.3) 运行效果

玩家 0 加入:

玩家 1 加入:

玩家 1 出牌:

玩家 1 胡牌并退出:

III. 总结

传统的 TCP Socket 往往指的是 TCP/IP 网络环境中的两个连接端,以及为方便此类开发所设计的一组编程 API

WebSockets 为 C/S 两端提供了实时交互通信的能力,允许服务器主动发送信息给客户端

WebSockets 是 HTML 5 规范的一个组成部分,是一种区别于 HTTP 的全新双向数据流协议

全双工通信的 WebSockets 有效改善了之前 长轮询 等方式的弊端

WebSockets 适用于实时性要求高的应用、聊天室、多人游戏等

IV. 参考资料

为什么要翻译成套接字:https://www.bbsmax.com/A/kvJ3rDV9zg/

https://blog.zengrong.net/post/2199.html

http://www.cnblogs.com/thinksasa/archive/2013/02/26/2934206.html

https://coderanch.com/t/204527/java/Successful-Applet-Socket-Connection

https://www.zhihu.com/question/20215561

https://www.jianshu.com/p/42260a2575f8

https://www.jianshu.com/p/59b5594ffbb0

http://enterprisewebbook.com/ch8_websockets.html

https://medium.com/@dominik.t/what-are-web-sockets-what-about-rest-apis-b9c15fd72aac

https://medium.com/platform-engineer/web-api-design-35df8167460

https://www.websocket.org/quantum.html

https://blog.gtwang.org/web-development/websocket-protocol/

https://medium.com/kifi-engineering/websockets-vs-regular-sockets-b3b8e7ea0708

http://shouce.jb51.net/actionscript3.0/flash/net/Socket.html

https://help.adobe.com/en_US/FlashPlatform/reference/actionscript/3/flash/net/XMLSocket.html

https://github.com/theturtle32/AS3WebSocket

https://baike.baidu.com/item/socket/281150

https://baike.baidu.com/item/TCP%2FIP协议族

https://www.cnblogs.com/xuehaoyue/p/6639029.html

https://kotlintc.com/articles/4925

https://blog.csdn.net/future_todo/article/details/50097363

https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSocketsAPI/WritingWebSocket_servers

http://lamb-mei.com/462/websocket-%E7%A5%9E%E5%A5%87%E5%AD%97%E4%B8%B2-258eafa5-e914-47da-95ca-c5ab0dc85b11/

https://kaazing.com/html5-websocket-security-is-strong/

https://www.asni.cn/2152

(end)

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