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全双工通信的 WebSocket

助工
2019-09-08 20:11:15    评分

一. WebSocket 是什么?

WebSocket 是一种网络通信协议。在 2009 年诞生,于 2011 年被 IETF 定为标准 RFC 6455 通信标准。并由 RFC7936 补充规范。WebSocket API 也被 W3C 定为标准。

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工(full-duplex)通讯的协议。没有了 Request 和 Response 的概念,两者地位完全平等,连接一旦建立,就建立了真•持久性连接,双方可以随时向对方发送数据。

(HTML5 是 HTML 最新版本,包含一些新的标签和全新的 API。HTTP 是一种协议,目前最新版本是 HTTP/2 ,所以 WebSocket 和 HTTP 有一些交集,两者相异的地方还是很多。两者交集的地方在 HTTP 握手阶段,握手成功后,数据就直接从 TCP 通道传输。)

二. 为什么要发明 WebSocket ?

在没有 WebSocket 之前,Web 为了实现即时通信,有以下几种方案,最初的 polling ,到之后的 Long polling,最后的基于 streaming 方式,再到最后的 SSE,也是经历了几个不种的演进方式。

(1) 最开始的短轮询 Polling 阶段


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这种方式下,是不适合获取实时信息的,客户端和服务器之间会一直进行连接,每隔一段时间就询问一次。客户端会轮询,有没有新消息。这种方式连接数会很多,一个接受,一个发送。而且每次发送请求都会有 HTTP 的 Header,会很耗流量,也会消耗 CPU 的利用率。

这个阶段可以看到,一个 Request 对应一个 Response,一来一回一来一回。

在 Web 端,短轮询用 AJAX JSONP Polling 轮询实现。

由于 HTTP 无法无限时长的保持连接,所以不能在服务器和 Web 浏览器之间频繁的长时间进行数据推送,所以 Web 应用通过通过频繁的异步 JavaScript 和 XML (AJAX) 请求来实现轮循。

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  • 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。

(2) 改进版的长轮询 Long polling 阶段(Comet Long polling)

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长轮询是对轮询的改进版,客户端发送 HTTP 给服务器之后,有没有新消息,如果没有新消息,就一直等待。直到有消息或者超时了,才会返回给客户端。消息返回后,客户端再次建立连接,如此反复。这种做法在某种程度上减小了网络带宽和 CPU 利用率等问题。

这种方式也有一定的弊端,实时性不高。如果是高实时的系统,肯定不会采用这种办法。因为一个 GET 请求来回需要 2个 RTT,很可能在这段时间内,数据变化很大,客户端拿到的数据已经延后很多了。

另外,网络带宽低利用率的问题也没有从根源上解决。每个 Request 都会带相同的 Header。

对应的,Web 也有 AJAX 长轮询,也叫 XHR 长轮询。

客户端打开一个到服务器端的 AJAX 请求,然后等待响应,服务器端需要一些特定的功能来允许请求被挂起,只要一有事件发生,服务器端就会在挂起的请求中送回响应并关闭该请求。客户端在处理完服务器返回的信息后,再次发出请求,重新建立连接,如此循环。

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  • 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。

(3) 基于流(Comet Streaming)

1. 基于 Iframe 及 htmlfile 的流(Iframe Streaming)

iframe 流方式是在页面中插入一个隐藏的 iframe,利用其 src 属性在服务器和客户端之间创建一条长链接,服务器向 iframe 传输数据(通常是 HTML,内有负责插入信息的 JavaScript),来实时更新页面。iframe 流方式的优点是浏览器兼容好。

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使用 iframe 请求一个长连接有一个很明显的不足之处:IE、Morzilla Firefox 下端的进度栏都会显示加载没有完成,而且 IE 上方的图标会不停的转动,表示加载正在进行。

Google 的天才们使用一个称为 “htmlfile” 的 ActiveX 解决了在 IE 中的加载显示问题,并将这种方法用到了 gmail+gtalk 产品中。Alex Russell 在 “What else is burried down in the depth's of Google's amazing JavaScript?”文章中介绍了这种方法。Zeitoun 网站提供的 comet-iframe.tar.gz,封装了一个基于 iframe 和 htmlfile 的 JavaScript comet 对象,支持 IE、Mozilla Firefox 浏览器,可以作为参考。

  • 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)。

2. AJAX multipart streaming(XHR 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。

3. Flash Socket(Flash Streaming)

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。

4. Server-Sent Events

服务器发送事件(SSE)也是 HTML5 公布的一种服务器向浏览器客户端发起数据传输的技术。一旦创建了初始连接,事件流将保持打开状态,直到客户端关闭。该技术通过传统的 HTTP 发送,并具有 WebSockets 缺乏的各种功能,例如自动重新连接、事件 ID 以及发送任意事件的能力。

SSE 就是利用服务器向客户端声明,接下来要发送的是流信息(streaming),会连续不断地发送过来。这时,客户端不会关闭连接,会一直等着服务器发过来的新的数据流,可以类比视频流。SSE 就是利用这种机制,使用流信息向浏览器推送信息。它基于 HTTP 协议,目前除了 IE/Edge,其他浏览器都支持。

SSE 是单向通道,只能服务器向浏览器发送,因为流信息本质上就是下载。

服务器向浏览器发送的 SSE 数据,必须是 UTF-8 编码的文本,具有如下的 HTTP 头信息。

image.png

上面三行之中,第一行的Content-Type必须指定 MIME 类型为event-steam

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  • 优点:适用于更新频繁、低延迟并且数据都是从服务端发到客户端。

  • 缺点:浏览器兼容难度高

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以上是常见的四种基于流的做法,Iframe Streaming、XHR Streaming、Flash Streaming、Server-Sent Events。

从浏览器兼容难度看 —— 短轮询/AJAX > 长轮询/Comet > 长连接/SSE

WebSocket 的到来

从上面这几种演进的方式来看,也是不断改进的过程。

短轮询效率低,非常浪费资源(网络带宽和计算资源)。有一定延迟、服务器压力较大,并且大部分是无效请求。

长轮询虽然省去了大量无效请求,减少了服务器压力和一定的网络带宽的占用,但是还是需要保持大量的连接。

最后到了基于流的方式,在服务器往客户端推送,这个方向的流实时性比较好。但是依旧是单向的,客户端请求服务器依然还需要一次 HTTP 请求。

那么人们就在考虑了,有没有这样一个完美的方案,即能双向通信,又可以节约请求的 header 网络开销,并且有更强的扩展性,最好还可以支持二进制帧,压缩等特性呢?

于是人们就发明了这样一个目前看似“完美”的解决方案 —— WebSocket。

在 HTML5 中公布了 WebSocket 标准以后,直接取代了 Comet 成为服务器推送的新方法。

Comet 是一种用于 web 的推送技术,能使服务器实时地将更新的信息传送到客户端,而无须客户端发出请求,目前有两种实现方式,长轮询和 iframe 流。

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  • 优点:

  • 较少的控制开销,在连接创建后,服务器和客户端之间交换数据时,用于协议控制的数据包头部相对较小。在不包含扩展的情况下,对于服务器到客户端的内容,此头部大小只有2至10字节(和数据包长度有关);对于客户端到服务器的内容,此头部还需要加上额外的4字节的掩码。相对于 HTTP 请求每次都要携带完整的头部,此项开销显著减少了。

  • 更强的实时性,由于协议是全双工的,所以服务器可以随时主动给客户端下发数据。相对于HTTP请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应,延迟明显更少;即使是和Comet等类似的长轮询比较,其也能在短时间内更多次地传递数据。

  • 长连接,保持连接状态。与HTTP不同的是,Websocket需要先创建连接,这就使得其成为一种有状态的协议,之后通信时可以省略部分状态信息。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息(如身份认证等)。

  • 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。

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一句话总结一下 WebSocket:

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种独立在单个 TCP 连接上进行全双工通讯有状态的协议(它不同于无状态的 HTTP),并且还能支持二进制帧、扩展协议、部分自定义的子协议、压缩等特性。

目前看来,WebSocket 是可以完美替代 AJAX 轮询和 Comet 。但是某些场景还是不能替代 SSE,WebSocket 和 SSE 各有所长!


转帖自网络




助工
2019-09-08 20:38:20    评分
2楼

学习一下


专家
2019-09-09 09:56:33    评分
3楼

所以现在的流量哗哗地涨啊!

看来推送这个功能是始作俑者啊


菜鸟
2019-09-10 14:16:22    评分
4楼

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