WEB即时通信

时间：2024-12-22 21:07:50

问题

传统的浏览器通信方式：基于HTTP协议的请求/响应模式。

早期：通过刷新浏览器来更新服务器端的数据

后来Ajax(XMLHttpRequest是核心)：可以不用刷新浏览器更新服务器端数据。但是这种模式的问题在于，只能通过客户端主动请求，服务器应答来获得数据，而服务器端有数据变化后无法通过推送方式主动告诉客户端数据的变化。

但是随着网络的发展和需求的变化，越来越多的应用场景需要浏览器支持即时的可服务器端推送的通信方式。在HTML5出现之前，没有一个官方的办法可以做到真正意义上的基于web的通信方案。下面文章介绍两种：

hack方式：包括短轮询，长轮询，以及使用隐藏的iframe等方式。

websocket：一种浏览器与服务器间进行全双工通讯的网络技术。依靠这种技术可以实现客户端和服务器端的长连接，双向实时通信。

全双工（Full Duplex）是通讯传输的一个术语。通信允许数据在两个方向上同时（瞬时）传输，指A→B的同时B→A（A→B且B→A），是瞬时同步的。

Hacks方式

以下就介绍几种通过hack手段实现的web即时通信方案。

  • 应用场景：（除了hack方式里的Flash Socket外，其余hack方式实时性相对较差）对实时性要求较高和浏览器覆盖面广的应用，如微博私信等一些简单即时聊天。

Ajax JSONP Polling（短轮询）

实现思路：客户端通过Ajax（jsonp实现跨域）的方式每隔一小段时间发送一个请求到服务器，服务器立刻返回数据。

WEB即时通信

  • 优点：短连接，服务器处理简单，支持跨域、浏览器兼容性较好。
  • 缺点：有一定延迟、服务器压力较大，浪费带宽流量、大部分是无效请求。

Ajax Long Polling(长轮询)

实现思路：客户端通过Ajax（jsonp实现跨域）发起请求（request），服务器不马上返回，而是保持住这个连接，直到有数据要推送给客户端时（或time out)才发送响应（response）给客户端。客户端收到响应之后马上再发起一个新的请求给服务器，周而复始。

WEB即时通信

  • 优点：减少轮询次数，低延迟，浏览器兼容性较好。
  • 缺点：服务器需要保持大量连接。

Forever Iframe（Comet Streaming）

实现思路：在客户端（浏览器）中动态载入一个隐藏的iframe标签，该标签的src属性指向请求的服务器url(实际上向服务器发送了一个http请求),然后客户端创建一个处理数据的函数，在服务器通过iframe与客户端的长连接定时输出数据给客户端，但是返回的数据是一个类似script标签的文本，客户端解析为js代码并执行其中的函数，从而达到通信的目的（和jsonp类似）

WEB即时通信

代码示例：

<script type=\"text/javascript\">parent.process("data from server")</script>

  • 优点：实现简单，在所有支持iframe的浏览器上都可用、客户端一次连接、服务器多次推送。
  • 缺点：无法准确知道连接状态，IE浏览器在iframe请求期间，浏览器title一直处于加载状态，底部状态栏也显示正在加载，用户体验不好（htmlfile通过ActiveXObject动态写入内存可以解决此问题）。

AJAX multipart streaming（Comet Streaming）

实现思路：浏览器必须支持multi-part标志，客户端通过Ajax发出请求（request），服务器保持住这个连接，然后可以通过HTTP1.1的chunked encoding机制（分块传输编码）不断push数据给客户端,直到timeout或者手动断开连接。

  • 优点：客户端一次连接，服务器数据可多次推送。
  • 缺点：并非所有的浏览器都支持multi-part标志。

Flash Socket

实现思路：在页面中内嵌入一个使用了Socket类的Flash程序，JavaScript通过调用此Flash程序提供的Socket接口与服务器端的Socket接口进行通信，JavaScript通过Flash Socket接收到服务器端传送的数据。

  • 优点：实现真正的即时通信，而不是伪即时。
  • 缺点：客户端必须安装Flash插件；非HTTP协议，无法自动穿越防火墙。

Flash Socket API

代码示例：

package {    import flash.display.Sprite;    public class SocketExample extends Sprite {        private var socket:CustomSocket;        public function SocketExample() {            socket = new CustomSocket("localhost", 80);        }    } } import flash.errors.*; import flash.events.*; import flash.net.Socket; class CustomSocket extends Socket {    private var response:String;    public function CustomSocket(host:String = null, port:uint = 0) {        super();        configureListeners();        if (host && port)  {            super.connect(host, port);        }    }    //监听事件    private function configureListeners():void {        addEventListener(Event.CLOSE, closeHandler);        addEventListener(Event.CONNECT, connectHandler);        addEventListener(IOErrorEvent.IO_ERROR, ioErrorHandler);        addEventListener(SecurityErrorEvent.SECURITY_ERROR, securityErrorHandler);        addEventListener(ProgressEvent.SOCKET_DATA, socketDataHandler);    }    //写文本    private function writeln(str:String):void {        str += "\n";        try {            writeUTFBytes(str);        }        catch(e:IOError) {            trace(e);        }    }    //发送数据    private function sendRequest():void {        trace("sendRequest");        response = "";        writeln("GET /");        flush();    }    //读取数据    private function readResponse():void {        var str:String = readUTFBytes(bytesAvailable);        response += str;    }    //关闭连接    private function closeHandler(event:Event):void {        trace("closeHandler: " + event);        trace(response.toString());    }    //连接建立成功    private function connectHandler(event:Event):void {        trace("connectHandler: " + event);        sendRequest();    }    //io错误    private function ioErrorHandler(event:IOErrorEvent):void {        trace("ioErrorHandler: " + event);    }    //安全错误    private function securityErrorHandler(event:SecurityErrorEvent):void {        trace("securityErrorHandler: " + event);    }    //接收socket数据    private function socketDataHandler(event:ProgressEvent):void {        trace("socketDataHandler: " + event);        readResponse();    } }

解决方案（推荐）Websocket

WebSocket是HTML5开始提供的一种浏览器与服务器间进行全双工通讯的网络技术。依靠这种技术可以实现客户端和服务器端的长连接，双向实时通信。

当服务器完成协议升级后（ HTTP -> WebSocket ），服务端可以主动推送信息给客户端，解决了轮询造成的同步延迟问题。由于 WebSocket 只需要一次 HTTP 握手，服务端就能一直与客户端保持通信，直到关闭连接，这样就解决了服务器需要反复解析 HTTP 协议，减少了资源的开销。

  • 优点：较少的控制开销、更强的实时性、长连接，双向通信、更好的二进制支持。与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443，并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易被屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器。
  • 缺点：部分浏览器不支持（支持的浏览器会越来越多）。
  • 应用场景：较新浏览器支持、不受框架限制、较高扩展性。

浏览器支持情况：（不兼容低版本 IE，IE 10 以下）

WEB即时通信

基于HTTP的握手请求（handshake）

Http、WebSocket等协议属于应用层协议，IP协议工作在网络层，TCP协议工作在传输层。HTTP、WebSocket等应用层协议，都是基于TCP协议来传输数据的。WebSocket依赖一种升级的Http协议进行一次握手，握手成功后，数据就直接从TCP通道传输。

WEB即时通信

1、发送握手请求

客户端到服务器的握手请求，客户端请求报文：

  1. GET / HTTP/1.1
  2. Upgrade: websocket
  3. Connection: Upgrade
  4. Host: example.com
  5. Origin: http://example.com
  6. Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
  7. Sec-WebSocket-Version: 13

字段：

  • Origin：用来防止跨域攻击
  • Sec-WebSocket-Key：是服务器端需要使用客户端发送的这个Key进行校验，然后返回一个校验过的字符串给客户端，客户端验证通过后才能正式建立Socket连接
  • 如果服务端不支持该版本，需要返回一个 Sec-WebSocket-Versionheader，里面包含服务端支持的版本号。

与传统 HTTP 报文不同的地方：

  1. Upgrade: websocket
  2. Connection: Upgrade

这两行表示发起的是 WebSocket 协议。

2、返回握手应答

服务器返回正确的相应头后，客户端验证后将建立连接，此时状态为OPEN。

服务器响应头如下：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=

Sec-WebSocket-Protocol: chat

我们一行行来解释：

  1. 首先，101 状态码表示服务器已经理解了客户端的请求，并将通过 Upgrade 消息头通知客户端采用不同的协议来完成这个请求；
  2. 然后， Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key，表示服务器同意握手建立连接；
  3. 最后， Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。

Sec-WebSocket-Accept 的计算方法：

  1. 将 Sec-WebSocket-Key 跟 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接；
  2. 通过 SHA1 计算出摘要，并转成 base64 字符串。

注意： Sec-WebSocket-Key/ Sec-WebSocket-Accept 的换算，只能带来基本的保障，但连接是否安全、数据是否安全、客户端 / 服务端是否合法的 ws 客户端、ws 服务端，其实并没有实际性的保证。

心跳（heartbeat）

握手成功后，客户端和服务器端任何一方都可以间隔一定时间发送ping请求到另外一方，当ping请求到达另外一方后，对方马上发送pong应答消息，通过这种方式确保连接的存在，也可以在极端情况下（如拔网线）知道连接是否断开。

客户端代码示例：

var socket = new websocket("ws://127.0.0.1:8001");//后面接地址及端口

socket.onopen = function(evt) {

console.log("socket is open");

socket.send("Hello World!");

};

socket.onmessage = function(evt) {

console.log( "Received data: " + evt.data);

socket.close();

};

socket.onerror = function(evt) {

console.log( "websocket error:" + evt.message);

};

socket.onclose = function(evt) {

console.log("socket is closed.");

};

客户端核心API

websocket所有API详见这里

WebSocket构造函数

var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080");

webSocket.readyState

CONNECTING：0，正在连接。 OPEN：1，连接成功，可以通信了。 CLOSING：2，连接正在关闭。 CLOSED：3，连接已经关闭，或者打开连接失败。

webSocket.onopen

用于指定连接成功后的回调函数。

webSocket.onclose

用于指定连接关闭后的回调函数。

webSocket.onmessage

用于指定收到服务器数据后的回调函数。服务器数据可能是文本，也可能是二进制数据（blob对象或Arraybuffer对象）。可以使用binaryType属性，显式指定收到的二进制数据类型。

webSocket.send()

用于向服务器发送数据。

webSocket.onerror

用于指定报错时的回调函数。

如果你有这些需求可以考虑使用 WebSocket：

  1. 多个用户之间进行交互；
  2. 需要频繁地向服务端请求更新数据。

比如弹幕、消息订阅、多玩家游戏、协同编辑、股票基金实时报价、视频会议、在线教育等需要高实时的场景。

socket.io（推荐）

socket.io 是一个为实时应用提供跨平台实时通信的库。socket.io 旨在使实时应用在每个浏览器和移动设备上成为可能，模糊不同的传输机制之间的差异。

socket.io 的名字源于它使用了浏览器支持并采用的 HTML5 WebSocket 标准，因为并不是所有的浏览器都支持 WebSocket ，所以该库支持一系列降级功能：

  • Websocket
  • Adobe® Flash® Socket
  • AJAX long polling
  • AJAX multipart streaming
  • Forever Iframe
  • JSONP Polling

在大部分情境下，你都能通过这些功能选择与浏览器保持类似长连接的功能。

  • 优点：跨平台、兼容性好、具有降级功能、所有传输机制接口对外统一、自带心跳。
  • 缺点：要使用socket.io必须前后端都要用一套框架。
  • 适用于：考虑更多兼容性，后端可以使用基于socket.io的框架的情景。（常见服务端实现框架有node.js,Netty-socket.io）

客户端代码示例：

<script src="/socket.io/socket.io.js"></script> <script>  var socket = io('http://localhost');  socket.on('news', function (data) {    console.log(data);    socket.emit('my other event', { my: 'data' });  }); </script>

服务器端示例代码：

var app = require('http').createServer(handler) var io = require('socket.io')(app); var fs = require('fs'); app.listen(80); function handler (req, res) {  fs.readFile(__dirname + '/index.html',  function (err, data) {    if (err) {      res.writeHead(500);      return res.end('Error loading index.html');    }    res.writeHead(200);    res.end(data);  }); } io.on('connection', function (socket) {  socket.emit('news', { hello: 'world' });  socket.on('my other event', function (data) {    console.log(data);  }); });

客户端核心API

socket.io所有API详见这儿

io.connect 建立一个连接

var socket = io.connect('ws://127.0.0.1:3000');

socket.emit 发送一个事件给服务器端（发送数据）

socket.on 监听一个服务器端emit发送的事件（接收数据）

三种默认的事件（客户端和服务器都有）：connect 、message 、disconnect。

服务器端核心API

io.on 监听客户端的连接事件

io.on('connection', function (socket) { }

socket.emit 发送一个事件给客户端（推送数据）

socket.on 监听一个客户端emit发送的事件（接收数据）

聊天demo

websocket框架实现

常用的 Node 实现有以下几种。

  • µWebSockets
  • Socket.IO
  • WebSocket-Node
  • websocketd

Java实现：

  • netty-socketio

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