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WebSocket 简介和应用

武飞扬头像
江米小枣tonylua
帮助2人

HTML5 的出现，标志着后 Flash 时代各种现代浏览器的集体爆发，也是谨防 Adobe 一家独大的各家厂商们，历经多年各自为战，想换个活法儿并终于达成一定共识后，所积kao累bei的技术的一次集中释放 -- 正所谓 “H5 是个筐，什么都可以往里装”。

I. 定义及由来

望文而生义，面对 WebSocket 这个名称，web 无需做太多解释，傻傻分不清楚的 socket 看着也是相当的面熟；甭管有没有联系，先来了解一下也无妨：

(1.1) 传统的 Socket API

Socket 往往指的是 TCP/IP 网络环境中的两个连接端，以及为方便此类开发所设计的一组编程 API

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如图，英文单词 "socket" 的字面原义是 “孔” 或 “插座”。

作为一个技术用语时，socket 通常取后一种意思，像一个多孔插座。用于描述一个通信链路两端的 IP 地址和端口等，可以用来实现不同设备之间的通信。Socket、TCP Socket都是通用的叫法，中文一般习惯性的译作**“套接字”、“TCP套接字”** 等。

...至于为嘛把“插座儿”翻译成“套接字”，好奇的程序猿并不在少数，科考文章在文章底部参考链接中可以找到。

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可以将服务端主机想象成一个布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供 220 伏交流电，有的提供固定电话信号，有的则提供有线电视节目。客户端软件将插头接入不同编号的插座，就可以得到不同的服务

Socket API 所处的楼层

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OSI 模型作为一种概念模型，由国际标准化组织（ISO）提出，一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。我们熟悉的 HTTP、FTP 等协议都工作在最顶端的应用层(Application Layer)。

而 **TCP/IP 协议族（Protocol Suite）**将软件通信过程抽象化为四个抽象层，常被视为是简化的七层OSI模型。当多个层次的协议共同工作时，类似数据结构中的堆栈，因此又被称为 TCP/IP 协议栈（Protocol Stack）。

单说 TCP 的话，指的是面向连接的一种传输控制协议。TCP 连接之后，客户端和服务器可以互相发送和接收消息，在客户端或者服务器没有主动断开之前，连接一直存在，故称为长连接。

Socket 其实并不是一个标准的协议，而是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口，工作位置基本在 OSI 模型会话层（第5层），是为了方便大家直接使用更底层协议（一般是 TCP 或 UDP ）而存在的一个抽象层。

在设计模式中，Socket其实就是一个门面（facade）模式，它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket API 后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让 Socket 去组织数据，以符合指定的协议

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最早的一套 Socket API 是采用 C 语言实现的，也就成为了 Socket 的事实标准。

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常见的 Socket API 实现

一些语言的实现

传统的后端编程语言基本都有 Socket API 的封装；而在 HTML5 出现之前，要想用纯前端技术实现 TCP Socket 的客户端，也基本只有 Java Applet (java.net.Socket 或 java.net.DatagramSocket 或 java.net.MulticastSocket) 、Flash (flash.net.Socket 或 flash.net.XMLSocket) 或 Silverlight(System.Net.Sockets) 等可以选择。

下面以 PHP 的 服务器/客户端 实现为例，演示一个最基础的例子：

<?php
//server.php

set_time_limit(0);
$ip = '127.0.0.1';
$port = 1999;
// 创建一个Socket
$sock = socket_create(AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_TCP);
// 绑定Socket地址和端口
$ret = socket_bind($sock,$ip,$port);
// 开始监听链接
$ret = socket_listen($sock,4);

$count = 0; //最多接受几次请求后就退出
do {
	// 另一个Socket来处理通信
    if (($msgsock = socket_accept($sock)) >= 0) {        
        // 发到客户端
        $msg ="server: HELLO CLIENTS!\n";
        if (socket_write($msgsock, $msg, strlen($msg))) {
        	echo "发送成功!\n";
        }
        // 获得客户端的输入
        $buf = socket_read($msgsock,8192);
        
        $talkback = "接受成功！内容为:$buf\n";
        echo $talkback;
        
        if(  $count >= 5){
            break;
        };    
    }
    // 关闭sockets
    socket_close($msgsock);
} while (true);
socket_close($sock);
echo "TCP 连接关闭OK\n";
?>

<?php
//client.php

error_reporting(E_ALL);
set_time_limit(0);
$port = 1999;
$ip = "127.0.0.1";

// 创建Socket
$socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
// 绑定Socket地址和端口
$result = socket_connect($socket, $ip, $port);
if ($result >= 0) echo "TCP 连接OK\n";

$in = "client: HELLO SERVER!\r\n";
if(socket_write($socket, $in, strlen($in))) {
    echo "发送成功！\n";
}
$out = '';
while($out = socket_read($socket, 8192)) {
    echo "接受成功！内容为:",$out;
}

socket_close($socket);
echo "TCP 连接关闭OK\n";
?>
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(1.2) HTML5 带来的 WebSocket 协议

WebSockets 为 C/S 两端提供了实时交互通信的能力，允许服务器主动发送信息给客户端，是一种区别于 HTTP 的全新双向数据流协议

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*web socket ？*

简单的说，传统的 TCP Socket 是一套相对标准化的 API，而出现时间不久的 WebSocket 是一种网络协议 -- 两码事。

WebSocket 底层是基于 TCP 协议的，所以早期草案中叫做 TCPConnection，最后之所以改名，其实是借用了传统 Socket 沟通 TCP 网络两端的意思而已。


	Socket 之于 WebSocket
	就像
	Java 和 JavaScript
	雷锋 和 雷峰塔
	张三 和 张三丰
	周杰 和 周杰伦
	北大 和 北大青鸟
	印度 和 印度尼西亚
	一样
	基本上没啥关系...
	
			-- 鲁迅《我没说过的话》

要解决的问题

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*HTTP 的工作方式*

在基于 请求/响应 模式的 HTTP/HTTPS 下，如果是对实时性要求较高的场景，客户端就需要不停的询问服务端有无可用的数据，这在各方面都是笨拙而不划算的。

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*WebSocket 的工作方式*

而在 WebSocket 的全双工（允许数据在两个方向上同时传输）方式下，客户端只要静静地听招呼即可，有可用数据时服务端会自动通知它。

与 WebSocket 类似的技术

实际上，每当谈到实时双向通信的问题时，我们自然会想起历年来一些基于 HTTP 技术的尝试；也正是基于这些之前工作中的实践和困扰，WebSocket 才应运而生。让我们大概回顾一下相关的方案及其缺陷：

轮询 (Polling)

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借助于 setInterval() 等方式，客户端不断的发送请求并得到响应。这种做法比较简单，可以在一定程度上解决问题。不过对于轮询的时间间隔需要进行仔细考虑。轮询的间隔过长，会导致用户不能及时接收到更新的数据；轮询的间隔过短，会导致查询请求过多，增加服务器端的负担。

长轮询 (Long Polling)

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这是对轮询的一种改进。客户端发出请求后，服务器端用 while(true) 等方式阻塞住请求，直到有可用数据才发送响应数据，而客户端收到响应后再发送下一个请求。

这种方式又被成为 “Hanging GET”、“反向 Ajax” 或 “Comet” 等，虽然看上去很像服务器推送，但仍然是基于 HTTP 的一种慢响应；且在数据更新频繁的情况下，其效率并不优于一般的轮询。

HTTP 流 (Streaming)

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使用 HTTP 1.1 且响应头中包含 Transfer-Encoding: chunked 的情况下，服务器发送给客户端的数据可以分成多个部分，保持打开(while-true, sleep等)，并周期性 flush() 分块传输。

客户端只发送一个HTTP连接，在 xhr.readyState==3 状态下，用 xhr.responseText.substring 获取每次的数据。

但是数据响应可能会因 代理服务器 或 防火墙 等中间人造成延迟，所以可能还要额外探测这种情况以切换到长轮询方式。

SSE (Server-Sent Events)

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SSE 规范也是 HTML 5 规范的一个组成部分。服务器端响应的内容类型是text/event-stream，在浏览器端使用 EventSource 对象处理返回的数据。

比之于 WebSocket，SSE 的缺点在于：

  • 不支持 CORS
  • 单向通道，只能服务器向浏览器端发送
  • 浏览器兼容性稍差

WebSocket 的用武之地

大部分传统的方式既浪费带宽（HTTP HEAD 是比较大的），又消耗服务器 CPU 占用（没有信息也要接受请求）；而 WebSocket 则会大幅降低上述的消耗，更适用于以下场景：

  • 实时性要求高的应用
  • 聊天室
  • IoT (物联网 - internet of things)
  • 在线多人游戏

兼容性也令人满意，非要说何时不适用的话，大概就是少数必须兼容老旧浏览器，或者对实时要求明显不高的情况下了。

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HTTP 的扩展

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WebSocket 连接的 URL 使用 ws:// 或 wss:// 等开头，其加密、cookie 等策略和对应的 HTTP/HTTPS 基本相同。

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HTTP、WebSocket 等应用层协议，都是基于 TCP 协议来传输数据的，可以把这些高级协议理解成对 TCP 的封装。

在 HTTP 下，客户端不发请求的话，服务器永远无法发送数据给客户端。

而对于 WebSocket 来说，它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手，以兼容浏览器的规范；可以将之视为 HTTP 的一种补充和升级。

在进行第一次 HTTP 请求之后，后续的就全部采用 TCP 通道进行双向通讯了。所以，HTTP 和 WebSocket 虽都基于 TCP 协议，却是完全不同的两种通讯方式。

来看个典型的 WebSocket 握手请求：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com:8000
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器响应则是：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK xOo=

其中第一个关键点是 Update 和 Connection 请求响应头，表示请求和确认切换到 WebSocket 协议；

13 是一个固定的版本号；

而请求头 Sec-WebSocket-Key 为浏览器随机生成的 Base64 编码，将之附加上一个固定为 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 的“魔法字符串”，再计算SHA-1摘要并进行BASE-64编码，就是响应中的 Sec-WebSocket-Accept 了。 ╮(╯▽╰)╭

浏览器中的实现

在浏览器中可以直接调用 WebSocket 对象，其定义如下：


enum BinaryType { "blob", "arraybuffer" };
[Constructor(USVString url, optional (DOMString or sequence<DOMString>) protocols = []), Exposed=(Window,Worker)]
interface WebSocket : EventTarget {
  readonly attribute USVString url;

  // ready state
  const unsigned short CONNECTING = 0;
  const unsigned short OPEN = 1;
  const unsigned short CLOSING = 2;
  const unsigned short CLOSED = 3;
  readonly attribute unsigned short readyState;
  readonly attribute unsigned long long bufferedAmount;

  // networking
  attribute EventHandler onopen;
  attribute EventHandler onerror;
  attribute EventHandler onclose;
  readonly attribute DOMString extensions;
  readonly attribute DOMString protocol;
  void close([Clamp] optional unsigned short code, optional USVString reason);

  // messaging
  attribute EventHandler onmessage;
  attribute BinaryType binaryType;
  void send(USVString data);
  void send(Blob data);
  void send(ArrayBuffer data);
  void send(ArrayBufferView data);
};

使用起来大概是这样的：

var ws = new WebSocket('ws://www.xxx.com/some.php');
ws.send('xxx'); //每次只能发送字符串
ws.onmessage = function(event) {
	var data = event.data;
};
ws.onerror = function() {
	ws.close();
};

II. 一个多用户交互的 WebSocket 实例

这里随便设想一个用户场景，比如我们要做一个在线纸牌游戏，肯定就是一个多人进入同一个房间的形式，并且每个人的动作能广播给其他人。

下面用 WebSocket 做一个最基础的验证原型，让每个玩家知道其他人的进入、离开、出牌、悔牌，甚至是耍赖换牌等：

(2.1) 服务器端的实现

我们用 nodejs expressjs 搭建基础服务器，并用 https://github.com/websockets/ws 封装的库实现 WebSocket 协议的服务器端逻辑：

// server.js

var express = require('express')
var ws = require('./ws')

var app = express()

app.get('/', function (req, res) {
    res.sendFile(__dirname   '/ws.html');
})

app.listen(3000, function () {
  console.log('Example app listening on port 3000!')
})

// ws.js

const { Server, OPEN } = require('ws');

const clients = []; //array of websocket clients
const cardsArr = []; //array of {cardId, count, title, ...}

let _lock = false;

const wss = new Server({port: 40510})
wss.on('connection', function (ws) {

	const _cid = clients.push(ws) - 1;

	ws.on('message', function (json) {

		const {
			act,
			cid,
			data
		} = JSON.parse(json);

		switch (act) {
			case 'client:join':
				_onCustomerJoin(ws, _cid);
				break;
			case 'client:leave':
				_onCustomerLeave(cid);
				break;
			case 'client:add': //增加牌
				_onAddCard(cid, data);
				break;
			case 'client:update': //修改牌
				_onUpdateCard(cid, data);
				break;
			case 'client:remove': //删除牌
				_onRemoveCard(cid, data);
				break;
			case 'client:win': //下单
				_onWin(cid);
				break;
			default:
				console.log('received: %s', act, cid)
				break;
		}

	});
});

function _ensureLock(func) {
	return function() {
		if (_lock) return;
		_lock = true;
		const rtn = func.apply(null, arguments);
		_lock = false;
		return rtn;
	};
}

function _findCard(cardId) {
	const cidx = cardsArr.map(Card=>Card.cardId).indexOf(cardId);
	return cidx;
}

const _broadcast = (excludeId, msg, data=null)=>{
	clients.forEach( (client, cidx)=>{
		if (cidx === excludeId) return;
		if (client && client.readyState === OPEN) {
			client.send(JSON.stringify({
				act: 'server:broadcast',
				msg: msg,
				data: data
			}));
		}
	} );
};

const _onCustomerJoin = (ws, cid)=>{
	ws.send(JSON.stringify({
		act: 'server:regist',
		data: {
			cid: cid
		}
	}));
	_broadcast(cid, '玩家加入：', {cid: cid});
};
const _onCustomerLeave = (cid)=>{
	clients[cid].terminate();
	clients.splice(cid, 1);
	_broadcast(cid, '玩家退出：', {cid: cid});
};
const _onAddCard = _ensureLock( (cid, data)=>{
	const d = _findCard(data.cardId);
	if (d !== -1) {
		cardsArr.splice(d, 1);
	}
	cardsArr.push(data);
	_broadcast(-1, '玩家添加了牌', {
		cid: cid,
		Card: data,
		cardsArr: cardsArr
	});
} );
const _onUpdateCard = _ensureLock( (cid, data)=>{
	const d = _findCard(data.cardId);
	if (d === -1) return;
	cardsArr[d] = data;
	_broadcast(-1, '玩家更改了牌', {
		cid: cid,
		Card: data,
		cardsArr: cardsArr
	});
} );
const _onRemoveCard = _ensureLock( (cid, data)=>{
	const d = _findCard(data.cardId);
	if (d === -1) return;
	cardsArr.splice(d, 1);
	_broadcast(-1, '玩家删除了牌', {
		cid: cid,
		Card: data,
		cardsArr: cardsArr
	});
} );
const _onWin = _ensureLock( (cid)=>{
	//do sth. here
	_broadcast(cid, '玩家胡牌了');
} );

(2.2) 客户端的实现

<h1></h1>
<div></div>

<button onclick="_add()">出牌</button>
<button onclick="_update()">换牌</button>
<button onclick="_remove()">悔牌</button>
<button onclick="_win()">胡牌</button>
<button onclick="_leave()">离开</button>

<script>
    let cid = null; 

    const ws = new WebSocket('ws://localhost:40510');

    ws.onopen = function () {
        console.log('websocket is connected ...');

        _send({
            act: 'client:join'
        });
    };

    ws.onmessage = function (ev) {
        
        const {
            act,
            msg,
            data
        } = JSON.parse(ev.data);

        switch(act) {
            case 'server:regist':
                cid = data.cid;
                console.log(`regist: cid is ${cid}`);
                document.querySelector('h1').innerHTML = 'I AM: '   cid;
                break;
            case 'server:broadcast':
                console.log('从服务器端接收的广播：', msg, data);
                if (data && data.cardsArr) {
                    document.querySelector('div').innerHTML = JSON.stringify(
                        data.cardsArr, null, 4
                    );
                }
                break;
            default:
                console.log(ev);
                break;
        }
    }

    function _send(json) {
        ws.send(JSON.stringify(json));
    }

    function _add() {
        _send({
            act: 'client:add',
            cid: cid,
            data: {
                cardId: 111,
                count: 1,
                title: '红桃A'
            }
        })
    }
    function _update() {
        _send({
            act: 'client:update',
            cid: cid,
            data: {
                cardId: 111,
                count: 2,
                title: '黑桃9'
            }
        })
    }
    function _remove() {
        _send({
            act: 'client:remove',
            cid: cid,
            data: {
                cardId: 111
            }
        })
    }
    function _win() {
        _send({
            act: 'client:win',
            cid: cid
        })
    }
    function _leave() {
        _send({
            act: 'client:leave',
            cid: cid
        })
    }
</script>

(2.3) 运行效果

玩家 0 加入：

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玩家 1 加入：

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玩家 1 出牌：

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玩家 1 胡牌并退出：

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III. 总结

  • 传统的 TCP Socket 往往指的是 TCP/IP 网络环境中的两个连接端，以及为方便此类开发所设计的一组编程 API
  • WebSockets 为 C/S 两端提供了实时交互通信的能力，允许服务器主动发送信息给客户端
  • WebSockets 是 HTML 5 规范的一个组成部分，是一种区别于 HTTP 的全新双向数据流协议
  • 全双工通信的 WebSockets 有效改善了之前 长轮询 等方式的弊端
  • WebSockets 适用于实时性要求高的应用、聊天室、多人游戏等

IV. 参考资料

  • 为什么要翻译成套接字：https://www.bbsmax.com/A/kvJ3rDV9zg/
  • https://blog.zengrong.net/post/2199.html
  • http://www.cnblogs.com/thinksasa/archive/2013/02/26/2934206.html
  • https://coderanch.com/t/204527/java/Successful-Applet-Socket-Connection
  • https://www.zhihu.com/question/20215561
  • https://www.jianshu.com/p/42260a2575f8
  • https://www.jianshu.com/p/59b5594ffbb0
  • http://enterprisewebbook.com/ch8_websockets.html
  • https://medium.com/@dominik.t/what-are-web-sockets-what-about-rest-apis-b9c15fd72aac
  • https://medium.com/platform-engineer/web-api-design-35df8167460
  • https://www.websocket.org/quantum.html
  • https://blog.gtwang.org/web-development/websocket-protocol/
  • https://medium.com/kifi-engineering/websockets-vs-regular-sockets-b3b8e7ea0708
  • http://shouce.jb51.net/actionscript3.0/flash/net/Socket.html
  • https://help.adobe.com/en_US/FlashPlatform/reference/actionscript/3/flash/net/XMLSocket.html
  • https://github.com/theturtle32/AS3WebSocket
  • https://baike.百度.com/item/socket/281150
  • https://baike.百度.com/item/TCP/IP协议族
  • https://www.cnblogs.com/xuehaoyue/p/6639029.html
  • https://kotlintc.com/articles/4925
  • https://blog.csdn.net/future_todo/article/details/50097363
  • https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSockets_API/Writing_WebSocket_servers
  • http://lamb-mei.com/462/websocket-神奇字串-258eafa5-e914-47da-95ca-c5ab0dc85b11/
  • https://kaazing.com/html5-websocket-security-is-strong/
  • https://www.asni.cn/2152

(end)

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