JavaScript 服务器推送技术之 WebSocket

最近在工做中遇到了须要服务器推送消息的场景，这里总结一下收集整理WebSocket相关资料的收获。

1. 概述

1.1 服务器推送

WebSocket做为一种通讯协议，属于服务器推送技术的一种，IE10+支持。

服务器推送技术不止一种，有短轮询、长轮询、WebSocket、Server-sent Events（SSE）等，他们各有优缺点：

#	短轮询	长轮询	Websocket	sse
通信方式	http	http	基于TCP长链接通信	http
触发方式	轮询	轮询	事件	事件
优势	兼容性好容错性强，实现简单	比短轮询节约资源	全双工通信协议，性能开销小、安全性高，有必定可扩展性	实现简便，开发成本低
缺点	安全性差，占较多的内存资源与请求数	安全性差，占较多的内存资源与请求数	传输数据须要进行二次解析，增长开发成本及难度	只适用高级浏览器
适用范围	b/s服务	b/s服务	网络游戏、银行交互和支付	服务端到客户端单向推送

短轮询最简单，在一些简单的场景也会常用，就是隔一段时间就发起一个ajax请求。那么长轮询是什么呢？

长轮询(Long Polling)是在Ajax轮询基础上作的一些改进，在没有更新的时候再也不返回空响应，并且把链接保持到有更新的时候，客户端向服务器发送Ajax请求，服务器接到请求后hold住链接，直到有新消息才返回响应信息并关闭链接，客户端处理完响应信息后再向服务器发送新的请求。它是一个解决方案，但不是最佳的技术方案。

若是说短轮询是客户端不断打电话问服务端有没有消息，服务端回复后马上挂断，等待下次再打；长轮询是客户端一直打电话，服务端接到电话不挂断，有消息的时候再回复客户端并挂断。

SSE(Server-Sent Events)与长轮询机制相似，区别是每一个链接不仅发送一个消息。客户端发送一个请求，服务端保持这个链接直到有新消息发送回客户端，仍然保持着链接，这样链接就能够支持消息的再次发送，由服务器单向发送给客户端。然而IE直到11都不支持，很少说了....

1.2 WebSocket的特色

为何已经有了轮询还要WebSocket呢，是由于短轮询和长轮询有个缺陷：通讯只能由客户端发起。

那么若是后端想往前端推送消息须要前端去轮询，不断查询后端是否有新消息，而轮询的效率低且浪费资源（必须不停 setInterval 或 setTimeout 去链接，或者 HTTP 链接始终打开），WebSocket提供了一个文明优雅的全双工通讯方案。通常适合于对数据的实时性要求比较强的场景，如通讯、股票、直播、共享桌面，特别适合于客户端与服务频繁交互的状况下，如聊天室、实时共享、多人协做等平台。

特色

1. 创建在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。
2. 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，所以握手时不容易屏蔽，能经过各类 HTTP 代理服务器。
3. 数据格式比较轻量，性能开销小，通讯高效。服务器与客户端之间交换的标头信息大概只有2字节;
4. 能够发送文本，也能够发送二进制数据。
5. 没有同源限制，客户端能够与任意服务器通讯。
6. 协议标识符是ws（若是加密，则为wss），服务器网址就是 URL。ex：ws://example.com:80/some/path
7. 不用频繁建立及销毁TCP请求，减小网络带宽资源的占用，同时也节省服务器资源;
8. WebSocket是纯事件驱动的，一旦链接创建，经过监听事件能够处理到来的数据和改变的链接状态，数据都以帧序列的形式传输。服务端发送数据后，消息和事件会异步到达。
9. 无超时处理。

HTTP与WS协议结构

WebSocket协议标识符用ws表示。`wss协议表示加密的WebSocket协议，对应HTTPs协议。结构以下：

• HTTP: TCP > HTTP
• HTTPS: TCP > TLS > HTTP
• WS: TCP > WS
• WSS: TCP > TLS > WS

2 WebSocket的通讯过程

首先，Websocket是一个持久化的协议，相对于HTTP这种非持久的协议来讲。

一个HTTP的通讯生命周期经过 Request 来界定，也就是一个 Request 一个 Response ，那么在 HTTP1.0 中，此次HTTP请求就结束了。 在HTTP1.1中进行了改进，有了一个keep-alive，在一个HTTP链接中，能够发送多个Request，接收多个Response，也就是合并多个请求。可是一个Request只能对应一个Response，并且这个Response是被动的，不能主动发起。

Websocket 实际上是一个新协议，可是为了兼容现有浏览器的握手规范而借用了HTTP的协议来完成一部分握手。

WebSocket是纯事件驱动的，一旦链接创建，经过监听事件能够处理到来的数据和改变的链接状态，数据都以帧序列的形式传输。服务端发送数据后，消息和事件会异步到达。WebSocket编程遵循一个异步编程模型，只须要对WebSocket对象增长回调函数就能够监听事件。

2.1 WebSocket通讯流程图

这里能够看出传统HTTP通信与WebSocket通信的通讯流程上的区别，下图显示WebSocket主要的三步中浏览器和服务器端分别作了哪些事情。

2.2 创建链接的握手

当Web应用程序调用new WebSocket(url)接口时，客户端就开始了与地址为url的WebServer创建握手链接的过程。

1. 客户端与服务端经过TCP三次握手创建链接，若是这个创建链接失败，那么后面的过程就不会执行，Web应用程序将收到错误消息通知。
2. 在TCP创建链接成功后，客户端经过HTTP协议传送WebSocket支持的版本号、协议的字版本号、原始地址、主机地址等等一些列字段给服务器端。
3. 服务端收到客户端发送来的握手请求后，若是数据包数据和格式正确、客户端和服务端的协议版本号匹配等等，就接受本次握手链接，并给出相应的数据回复，一样回复的数据包也是采用HTTP协议传输。
4. 客户端收到服务端回复的数据包后，若是数据包内容、格式都没有问题的话，就表示本次链接成功，触发onopen，此时Web开发者就能够在此时经过send()向服务器发送数据。不然握手链接失败，Web应用程序触发onerror，而且能知道链接失败的缘由。

这个握手很像HTTP，可是实际上却不是，它容许服务器以HTTP的方式解释一部分handshake的请求，而后切换为websocket。

2.3 WebSocket握手报文

一个浏览器发出的WebSocket请求报文相似于：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com
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HTTP1.1协议规定，Upgrade头信息表示将通讯协议从HTTP/1.1转向该项所指定的协议。

• Connection: Upgrade表示浏览器通知服务器，若是能够，就升级到webSocket协议。
• Origin用于验证浏览器域名是否在服务器许可的范围内。
• Sec-WebSocket-Key则是用于握手协议的密钥，是浏览器生成的Base64编码的16字节随机字符串。
• Sec-WebSocket-Protocol是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不一样的服务所须要的协议。
• Sec-WebSocket-Version是告诉服务器所使用的协议版本。

服务端WebSocket回复报文：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Origin: null
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/
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• 服务器端一样用Connection: Upgrade通知浏览器，服务端已经成功切换协议。
• Sec-WebSocket-Accept是通过服务器确认而且加密事后的Sec-WebSocket-Key。
• Sec-WebSocket-Location表示进行通讯的WebSocket网址。
• Sec-WebSocket-Protocol表示最终使用的协议。

在这样一个相似于HTTP通讯的握手结束以后，下面就按照WebSocket协议进行通讯了。客户端与服务器之间不会再发生HTTP通讯，一切由WebSocket 协议接管。

3. WebSocket API

浏览器提供了一个WebSocket对象的实现，能够用这个对象来建立和管理WebSocket链接，而且能够经过该链接发送和接受数据。WebSocket是事件驱动的，所以只须要对WebSocket对象增长回调函数就能够监听事件的发生。

跟XMLHttpRequest同样，经过该构造函数先new出来对象实例const ws = new WebSocket('ws://localhost:8080')，再使用对象下挂载的属性与方法来操做。后文都用ws来指代WebSocket的实例。

查看DEMO

3.1 ws上经常使用属性

ws.readyState

WebSocket实例对象相似于XHR有个的只读属性readyState来指示链接的当前状态：

状态	值	描述
CONNECTING	0	链接还没开启。
OPEN	1	链接已开启并准备好进行通讯。
CLOSING	2	链接正在关闭的过程当中。
CLOSED	3	链接已经关闭，或者链接没法创建。

一个示例：

switch (ws.readyState) {
  case WebSocket.CONNECTING:
    // ...
    break;
  case WebSocket.OPEN:
    // ...
    break;
  case WebSocket.CLOSING:
    // ...
    break;
  case WebSocket.CLOSED:
    // ...
    break;
  default:
    // this never happens
    break;
}
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ws.onopen / ws.onclose

实例对象的onopen属性，用于指定链接成功后的回调函数。

ws.onopen = function () {
  ws.send('Hello Server!');
}
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若是要指定多个回调函数，能够addEventListener。

ws.addEventListener('open', function (event) {
  ws.send('Hello Server!');
});
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实例对象的onclose属性，用于指定链接关闭后的回调函数。

ws.onclose = function(event) {
    const { code, reason, wasClean} = event
    // ...
};
ws.addEventListener('close', function(event) {
    const { code, reason, wasClean} = event
    // ...
})
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ws.onmessage

实例对象的onmessage属性，用于指定收到服务器数据后的回调函数。

ws.onmessage = function(event) {
  const { data } = event;
  // ...
};
ws.addEventListener('message', function(event) {
  const { data } = event; 
  // ...
});
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注意，服务器数据多是文本，也多是二进制数据（blob对象或Arraybuffer对象）。

ws.onmessage = function(event){
  if(typeof event.data === String) {
    // string
  }
  if(event.data instanceof ArrayBuffer){
    const { data: buffer } = event;
    // array buffer
  }
}
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除了动态判断收到的数据类型，也可使用binaryType属性，显式指定收到的二进制数据类型。binaryType取值应当是'blob'或者'arraybuffer'，'blob'表示使用 Blob 对象，而'arraybuffer'表示使用 ArrayBuffer 对象。

ws.binaryType = 'blob';                // 收到的是 Blob 数据
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.size);
};

ws.binaryType = 'arraybuffer';            // 收到的是 ArrayBuffer 数据
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.byteLength);
};
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查看DEMO

ws.bufferedAmount

实例对象的bufferedAmount只读属性，表示还有多少字节的二进制数据没有发送出去。它能够用来判断发送是否结束。 该值会在全部队列数据被发送后重置为 0，而当链接关闭时不会设为0。若是持续调用send()，这个值会持续增加。

var data = new ArrayBuffer(10000000);
ws.send(data);
if (ws.bufferedAmount === 0) {
  // 发送完毕
} else {
  // 发送还没结束
}
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ws.onerror

实例对象的onerror属性，用于指定报错时的回调函数。

ws.onerror = function(event) {
  // handle error event
};
ws.addEventListener("error", function(event) {
  // handle error event
});
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3.2 ws上经常使用方法

ws.close()

关闭WebSocket链接或中止正在进行的链接请求。若是链接的状态已是closed，这个方法不会有任何效果。

ws.send()

实例对象的send()方法用于向服务器发送数据。

ws.send('your message');                // 发送文本的例子

var file = document
  .querySelector('input[type="file"]')
  .files[0];
ws.send(file);                            // 发送 Blob 对象的例子

// Sending canvas ImageData as ArrayBuffer 
var img = canvas_context.getImageData(0, 0, 400, 320);
var binary = new Uint8Array(img.data.length);
for (var i = 0; i < img.data.length; i++) {
  binary[i] = img.data[i];
}
ws.send(binary.buffer);                // 发送 ArrayBuffer 对象的例子
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最后一个ArrayBuffer对象栗子中的canvas_context实例是CanvasRenderingContext2D类型的对象，其上的.getImageData()方法返回一个ImageData对象。

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网上的帖子大多深浅不一，甚至有些先后矛盾，在下的文章都是学习过程当中的总结，若是发现错误，欢迎留言指出~

参考：

1. 阮一峰 - WebSocket 教程
2. 几种web服务器端推送技术的简单介绍
3. 干货 | 长链接/websocket/SSE等主流服务器推送技术比较
4. sf - WebSocket 详解
5. WebSocket实战之——JavaScript例子
6. JavaScript之WebSocket 技术
7. 知乎 - WebSocket 是什么原理？为何能够实现持久链接？
8. Socket 与 WebSocket

官方文档：

1. MDN - WebSocket
2. W3C - The WebSocket API
3. RFC - WebSocket协议栈

工具：

1. WebSocket 在线测试

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