实时通讯技术之websocket

本文章即从4个方面带你们了解websocket：

1. websocket是什么？
2. 为何须要 WebSocket ？
3. websocket的优势与缺点？
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？

1、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）。是先经过http/https协议发起一条特殊的http请求进行握手后建立一个用于数据传输的tcp通道，此后服务端与客户端经过此TCP链接进行实时通讯。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。

2、为何须要websocket？

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

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

       这种单向请求的特色，注定了若是服务器有连续的状态变化，客户端要获知就很是麻烦。之前web server实现推送技术或者即时通信，用的都是轮询（polling），而轮询能够经过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讯，可是轮询的效率低，很是浪费资源（由于必须不停链接，或者 HTTP 链接始终打开）。

        websocket就是在这样的环境下诞生的，它只须要一次握手，就能实现客户端和服务器之间进行全双工通讯，任一方均可以经过创建的链接将数据推送到另外一端。

3、websocket的优势与缺点？

        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，若是服务器端没有响应，则一直请求，直到有消息才返回，返回完以后，客户端再次创建链接。

            这两种方式虽然能实现双工通讯，都是很是消耗服务器资源的。

    websocket的优势：

1. 只须要一次http握手，便可实现客户端和服务器之间进行全双工通讯，任一方均可以经过创建的链接将数据推送到另外一端。
2. 创建在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，而且握手阶段采用HTTP 协议；
4. 数据格式比较轻量，性能开销小，通讯高效。
5. 能够发送文本，也能够发送二进制数据。
6. 协议标识符是ws（若是加密，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协议不一样，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不一样）；

4、websocket的相关使用（客户端与服务器端）？

WebSocket客户端

    客户端 API

    如下 API 用于建立 WebSocket 对象。    

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

    以上代码中的第一个参数 url, 指定链接的 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

   如下是 WebSocket 对象的属性。假定咱们使用了以上代码建立了 Socket 对象：

   属性	描述
   Socket.readyState	只读属性 readyState 表示链接状态，能够是如下值：0 - 表示链接还没有创建。1 - 表示链接已创建，能够进行通讯。2 - 表示链接正在进行关闭。3 - 表示链接已经关闭或者链接不能打开。
   Socket.bufferedAmount	只读属性 bufferedAmount 已被 send() 放入正在队列中等待传输，可是尚未发出的 UTF-8 文本字节数。

   WebSocket 事件

   如下是 WebSocket 对象的相关事件。假定咱们使用了以上代码建立了 Socket 对象：

   事件	事件处理程序	描述
   open	Socket.onopen	链接创建时触发
   message	Socket.onmessage	客户端接收服务端数据时触发
   error	Socket.onerror	通讯发生错误时触发
   close	Socket.onclose	链接关闭时触发

   WebSocket 方法

   如下是 WebSocket 对象的相关方法。假定咱们使用了以上代码建立了 Socket 对象：

   方法	描述
   Socket.send()	使用链接发送数据
   Socket.close()	关闭链接

   示例

   // 初始化一个 WebSocket 对象
   var ws = new WebSocket("ws://localhost:9998/echo");
   
   // 创建 web socket 链接成功触发事件
   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 链接成功触发事件
   ws.onclose = function () {
     alert("链接已关闭...");
   };

WebSocket 服务端

WebSocket 在服务端的实现很是丰富。Node.js、Java、C++、Python 等多种语言都有本身的解决方案。

如下，介绍我在学习 WebSocket 过程当中接触过的 WebSocket 服务端解决方案。

Node.js

经常使用的 Node 实现有如下三种。

• µWebSockets
• Socket.IO
• WebSocket-Node

Java

Java 的 web 通常都依托于 servlet 容器。

我使用过的 servlet 容器有：Tomcat、Jetty、Resin。其中Tomcat七、Jetty7及以上版本均开始支持 WebSocket（推荐较新的版本，由于随着版本的更迭，对 WebSocket 的支持可能有变动）。

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。可是，它们都遵循RFC6455 的通讯标准，而且 Java API 统一遵循 JSR 356 - JavaTM API for WebSocket 规范。因此，在实际编码中，API 差别不大。

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 服务器大概分为如下几步：

建立 WebSocket 处理器

扩展 TextWebSocketHandler 或 BinaryWebSocketHandler ，你能够覆写指定的方法。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 源码以下，这意味着你的处理器大概能够处理哪些 WebSocket 事件：

public interface WebSocketHandler {

   /**
    * 创建链接后触发的回调
    */
   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;

   /**
    * 断开链接后触发的回调
    */
   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 。其做用就是将 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>

更多配置细节能够参考：Spring WebSocket 文档

javax.websocket

若是不想使用 Spring 框架的 WebSocket API，你也能够选择基本的 javax.websocket。

首先，须要引入 API jar 包。

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

若是使用嵌入式 jetty，你还须要引入它的实现包：

<!-- 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。

而后，你能够在这个类中使用下面的注解来代表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 {
    ...
}

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

// 关闭链接触发事件
@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，你须要扩展 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);
    }
}

而后就没有而后了，就是这么简单。

WebSocket 代理

若是把 WebSocket 的通讯当作是电话链接，Nginx 的角色则像是电话接线员，负责将发起电话链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。若是你的 web 应用使用了代理服务器 Nginx，那么你还须要为 Nginx 作一些配置，使得它开启 WebSocket 代理功能。

如下为参考配置：

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;
  }
}

更多配置细节能够参考：Nginx 官方的 websocket 文档

FAQ

HTTP 和 WebSocket 有什么关系？

Websocket 实际上是一个新协议，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，是一种用于建立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 是一种网络通讯协议。其自己和 Html 没有直接关系。

完整示例

若是须要完整示例代码，能够参考个人 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 版本彷佛存在兼容性问题，Tomcat则木有问题。

  我尝试了好几回，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做者文章支持，文章地址：