实时通信技术之websocket

本文章即从4个方面带大家了解websocket：

1. websocket是什么？
2. 为什么需要 WebSocket ？
3. websocket的优点与缺点？
4. websocket的相关使用（客户端与服务器端）？
5. websocket的相关协议与规范？

一、websocket是什么？

      websocket是html5提出的一种基于tcp的协议(可参考rfc6455---websocket协议）。是先通过http/https协议发起一条特殊的http请求进行握手后创建一个用于数据传输的tcp通道，此后服务端与客户端通过此TCP连接进行实时通信。它跟HTTP协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已。

二、为什么需要websocket？

    了解计算机网络的人，应该都知道，http是一种无状态的、无连接的，单向的应用层协议，默认端口为80，并且每次请求都要开启一条连接，发送请求--》接收数据--》关闭连接这样一个过程，请求只能由客户端发起，并且HTTP request 的header是非常长的，里面包含的数据可能只是一个很小的值，这样会占用很多的带宽和服务器资源。

       这样还有一个弊端：http协议无法实现服务器端主动向客户端发起消息。

       这种单向请求的特点，注定了如果服务器有连续的状态变化，客户端要获知就非常麻烦。以前web server实现推送技术或者即时通讯，用的都是轮询（polling），而轮询可以通过ajax轮询、long poll（长轮询）等方式实现，这些技术虽然可达到全双工通信，但是轮询的效率低，非常浪费资源（因为必须不停连接，或者 HTTP 连接始终打开）。

        websocket就是在这样的环境下诞生的，它只需要一次握手，就能实现客户端和服务器之间进行全双工通信，任一方都可以通过建立的连接将数据推送到另一端。

三、websocket的优点与缺点？

        传统轮询方式：

1. ajax轮询：让浏览器每隔几秒就发送一次请求，询问服务器是否有数据。
2. long poll（长轮询）：采用阻塞模型（一直打电话，没收到就不挂电话），发送一次请求，如果服务器端没有响应，则一直请求，直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接。

            这两种方式虽然能实现双工通信，都是非常消耗服务器资源的。

    websocket的优点：

1. 只需要一次http握手，即可实现客户端和服务器之间进行全双工通信，任一方都可以通过建立的连接将数据推送到另一端。
2. 建立在TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。
3. 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；
4. 数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。
5. 可以发送文本，也可以发送二进制数据。
6. 协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。

    websocket的缺点：

1. 不兼容低版本的IE；
2. 安全性差（websocket协议与http协议不同，例如：WS消息不包括HTTP头，这可能会影响网络代理和防火墙的行为。WS的origin policy也与HTTP不同）；

四、websocket的相关使用（客户端与服务器端）？

WebSocket客户端

    客户端 API

    以下 API 用于创建 WebSocket 对象。    

var Socket = new WebSocket(url, [protocol] );

    以上代码中的第一个参数 url, 指定连接的 URL。第二个参数 protocol 是可选的，指定了可接受的子协议。

1. WebSocket 属性

   以下是 WebSocket 对象的属性。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

   属性	描述
   Socket.readyState	只读属性 readyState 表示连接状态，可以是以下值：0 - 表示连接尚未建立。1 - 表示连接已建立，可以进行通信。2 - 表示连接正在进行关闭。3 - 表示连接已经关闭或者连接不能打开。
   Socket.bufferedAmount	只读属性 bufferedAmount 已被 send() 放入正在队列中等待传输，但是还没有发出的 UTF-8 文本字节数。

   WebSocket 事件

   以下是 WebSocket 对象的相关事件。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

   事件	事件处理程序	描述
   open	Socket.onopen	连接建立时触发
   message	Socket.onmessage	客户端接收服务端数据时触发
   error	Socket.onerror	通信发生错误时触发
   close	Socket.onclose	连接关闭时触发

   WebSocket 方法

   以下是 WebSocket 对象的相关方法。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

   方法	描述
   Socket.send()	使用连接发送数据
   Socket.close()	关闭连接

   示例

   // 初始化一个 WebSocket 对象
   var ws = new WebSocket("ws://localhost:9998/echo");
   
   // 建立 web socket 连接成功触发事件
   ws.onopen = function () {
     // 使用 send() 方法发送数据
     ws.send("发送数据");
     alert("数据发送中...");
   };
   
   // 接收服务端数据时触发事件
   ws.onmessage = function (evt) {
     var received_msg = evt.data;
     alert("数据已接收...");
   };
   
   // 断开 web socket 连接成功触发事件
   ws.onclose = function () {
     alert("连接已关闭...");
   };

WebSocket 服务端

WebSocket 在服务端的实现非常丰富。Node.js、Java、C++、Python 等多种语言都有自己的解决方案。

以下，介绍我在学习 WebSocket 过程中接触过的 WebSocket 服务端解决方案。

Node.js

常用的 Node 实现有以下三种。

• µWebSockets
• Socket.IO
• WebSocket-Node

Java

Java 的 web 一般都依托于 servlet 容器。

我使用过的 servlet 容器有：Tomcat、Jetty、Resin。其中Tomcat7、Jetty7及以上版本均开始支持 WebSocket（推荐较新的版本，因为随着版本的更迭，对 WebSocket 的支持可能有变更）。

此外，Spring 框架对 WebSocket 也提供了支持。

虽然，以上应用对于 WebSocket 都有各自的实现。但是，它们都遵循RFC6455 的通信标准，并且 Java API 统一遵循 JSR 356 - JavaTM API for WebSocket 规范。所以，在实际编码中，API 差异不大。

Spring

Spring 对于 WebSocket 的支持基于下面的 jar 包：

<dependency>
  <groupId>org.springframework</groupId>
  <artifactId>spring-websocket</artifactId>
  <version>${spring.version}</version>
</dependency>

在 Spring 实现 WebSocket 服务器大概分为以下几步：

创建 WebSocket 处理器

扩展 TextWebSocketHandler 或 BinaryWebSocketHandler ，你可以覆写指定的方法。Spring 在收到 WebSocket 事件时，会自动调用事件对应的方法。

import org.springframework.web.socket.WebSocketHandler;
import org.springframework.web.socket.WebSocketSession;
import org.springframework.web.socket.TextMessage;

public class MyHandler extends TextWebSocketHandler {

    @Override
    public void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) {
        // ...
    }

}

WebSocketHandler 源码如下，这意味着你的处理器大概可以处理哪些 WebSocket 事件：

public interface WebSocketHandler {

   /**
    * 建立连接后触发的回调
    */
   void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception;

   /**
    * 收到消息时触发的回调
    */
   void handleMessage(WebSocketSession session, WebSocketMessage<?> message) throws Exception;

   /**
    * 传输消息出错时触发的回调
    */
   void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) throws Exception;

   /**
    * 断开连接后触发的回调
    */
   void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus closeStatus) throws Exception;

   /**
    * 是否处理分片消息
    */
   boolean supportsPartialMessages();

}

配置 WebSocket

配置有两种方式：注解和 xml 。其作用就是将 WebSocket 处理器添加到注册中心。

1. 实现 WebSocketConfigurer

import org.springframework.web.socket.config.annotation.EnableWebSocket;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketConfigurer;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketHandlerRegistry;

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {

    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
        registry.addHandler(myHandler(), "/myHandler");
    }

    @Bean
    public WebSocketHandler myHandler() {
        return new MyHandler();
    }

}

1. xml 方式

<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xmlns:websocket="http://www.springframework.org/schema/websocket"
    xsi:schemaLocation="
        http://www.springframework.org/schema/beans
        http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd
        http://www.springframework.org/schema/websocket
        http://www.springframework.org/schema/websocket/spring-websocket.xsd">

    <websocket:handlers>
        <websocket:mapping path="/myHandler" handler="myHandler"/>
    </websocket:handlers>

    <bean id="myHandler" class="org.springframework.samples.MyHandler"/>

</beans>

更多配置细节可以参考：Spring WebSocket 文档

javax.websocket

如果不想使用 Spring 框架的 WebSocket API，你也可以选择基本的 javax.websocket。

首先，需要引入 API jar 包。

<!-- To write basic javax.websocket against -->
<dependency>
  <groupId>javax.websocket</groupId>
  <artifactId>javax.websocket-api</artifactId>
  <version>1.0</version>
</dependency>

如果使用嵌入式 jetty，你还需要引入它的实现包：

<!-- To run javax.websocket in embedded server -->
<dependency>
  <groupId>org.eclipse.jetty.websocket</groupId>
  <artifactId>javax-websocket-server-impl</artifactId>
  <version>${jetty-version}</version>
</dependency>
<!-- To run javax.websocket client -->
<dependency>
  <groupId>org.eclipse.jetty.websocket</groupId>
  <artifactId>javax-websocket-client-impl</artifactId>
  <version>${jetty-version}</version>
</dependency>

@ServerEndpoint

这个注解用来标记一个类是 WebSocket 的处理器。

然后，你可以在这个类中使用下面的注解来表明所修饰的方法是触发事件的回调

// 收到消息触发事件
@OnMessage
public void onMessage(String message, Session session) throws IOException, InterruptedException {
    ...
}

// 打开连接触发事件
@OnOpen
public void onOpen(Session session, EndpointConfig config, @PathParam("id") String id) {
    ...
}

// 关闭连接触发事件
@OnClose
public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
    ...
}

// 传输消息错误触发事件
@OnError
public void onError(Throwable error) {
    ...
}

ServerEndpointConfig.Configurator

编写完处理器，你需要扩展 ServerEndpointConfig.Configurator 类完成配置：

public class WebSocketServerConfigurator extends ServerEndpointConfig.Configurator {
    @Override
    public void modifyHandshake(ServerEndpointConfig sec, HandshakeRequest request, HandshakeResponse response) {
        HttpSession httpSession = (HttpSession) request.getHttpSession();
        sec.getUserProperties().put(HttpSession.class.getName(), httpSession);
    }
}

然后就没有然后了，就是这么简单。

WebSocket 代理

如果把 WebSocket 的通信看成是电话连接，Nginx 的角色则像是电话接线员，负责将发起电话连接的电话转接到指定的客服。

Nginx 从 1.3 版开始正式支持 WebSocket 代理。如果你的 web 应用使用了代理服务器 Nginx，那么你还需要为 Nginx 做一些配置，使得它开启 WebSocket 代理功能。

以下为参考配置：

server {
  # this section is specific to the WebSockets proxying
  location /socket.io {
    proxy_pass http://app_server_wsgiapp/socket.io;
    proxy_redirect off;

    proxy_set_header Host $host;
    proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;

    proxy_http_version 1.1;
    proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
    proxy_set_header Connection "upgrade";
    proxy_read_timeout 600;
  }
}

更多配置细节可以参考：Nginx 官方的 websocket 文档

FAQ

HTTP 和 WebSocket 有什么关系？

Websocket 其实是一个新协议，跟 HTTP 协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已，也就是说它是 HTTP 协议上的一种补充。

Html 和 HTTP 有什么关系？

Html 是超文本标记语言，是一种用于创建网页的标准标记语言。它是一种技术标准。Html5 是它的最新版本。

Http 是一种网络通信协议。其本身和 Html 没有直接关系。

完整示例

如果需要完整示例代码，可以参考我的 Github 代码：

• Spring 对 WebSocket 支持的示例

• 嵌入式 Jetty 服务器的 WebSocket 示例

  spring-websocket 和 jetty 9.3 版本似乎存在兼容性问题，Tomcat则木有问题。

  我尝试了好几次，没有找到解决方案，只好使用 Jetty 官方的嵌入式示例在 Jetty 中使用 WebSocket 。

资料

• 知乎高票答案——WebSocket是什么原理 by Ovear

  对 WebSocket 原理的阐述简单易懂。

• WebSocket 教程 by ruanyf

  阮一峰大神的科普一如既往的浅显易懂。

• WebSockets by fullstackpython

• Nginx 官方的 websocket 文档

• Spring WebSocket 文档

• Tomcat7 WebSocket 文档

• Jetty WebSocket 文档

本文章感谢静默虚空作者文章支持，文章地址：