WebSocket原理分析, 如何做到的长久连接

前言

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。

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。

传统HTTP客户端与服务器请求响应模式如下图所示:

这里写图片描述

WebSocket模式客户端与服务器请求响应模式如下图:

这里写图片描述

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:

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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:

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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。

https://github.com/TheKiteRunners/Vue-WebSoket-Koa2-chatroom
这是基于vue和node的聊天室可以看一下

参考连接: https://www.zhihu.com/question/20215561

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