微信,QQ這類IM app怎麼作——談談Websocket

前言

關於我和WebSocket的緣：我從大二在計算機網絡課上聽老師講過以後，第一次使用就到了畢業以後的第一份工做。直到最近換了工做，到了一家是含有IM社交聊天功能的app的時候，我以爲我如今能夠談談我對WebSocket/Socket的一些見解了。要想作IM聊天app，就不得不理解WebSocket和Socket的原理了，聽我一一道來。

目錄

• 1.WebSocket使用場景
• 2.WebSocket誕生由來
• 3.談談WebSocket協議原理
• 4.WebSocket 和 Socket的區別與聯繫
• 5.iOS平臺有哪些WebSocket和Socket的開源框架
• 6.iOS平臺如何實現WebSocket協議

一.WebSocket的使用場景

1.社交聊天
最著名的就是微信，QQ，這一類社交聊天的app。這一類聊天app的特色是低延遲，高即時。即時是這裏面要求最高的，若是有一個緊急的事情，經過IM軟件通知你，假設網絡環境良好的狀況下，這條message還沒法當即送達到你的客戶端上，緊急的事情都結束了，你才收到消息，那麼這個軟件確定是失敗的。
2.彈幕
說到這裏，你們必定裏面想到了A站和B站了。確實，他們的彈幕一直是一種特點。並且彈幕對於一個視頻來講，極可能彈幕纔是精華。發彈幕須要實時顯示，也須要和聊天同樣，須要即時。
3.多玩家遊戲
4.協同編輯
如今不少開源項目都是分散在世界各地的開發者一塊兒協同開發，此時就會用到版本控制系統，好比Git，SVN去合併衝突。可是若是有一份文檔，支持多人實時在線協同編輯，那麼此時就會用到好比WebSocket了，它能夠保證各個編輯者都在編輯同一個文檔，此時不須要用到Git，SVN這些版本控制，由於在協同編輯界面就會實時看到對方編輯了什麼，誰在修改哪些段落和文字。
5.股票基金實時報價
金融界瞬息萬變——幾乎是每毫秒都在變化。若是採用的網絡架構沒法知足實時性，那麼就會給客戶帶來巨大的損失。幾毫秒錢股票開始大跌，幾秒之後才刷新數據，一秒鐘的時間內，極可能用戶就已經損失巨大財產了。
6.體育實況更新
全世界的球迷，體育愛好者特別多，固然你們在關心本身喜歡的體育活動的時候，比賽實時的賽況是他們最最關心的事情。這類新聞中最好的體驗就是利用Websocket達到實時的更新！
7.視頻會議/聊天
視頻會議並不能代替和真人相見，可是他能讓分佈在全球天涯海角的人聚在電腦前一塊兒開會。既能節省你們聚在一塊兒路上花費的時間，討論聚會地點的糾結，還能隨時隨地，只要有網絡就能夠開會。
8.基於位置的應用
愈來愈多的開發者借用移動設備的GPS功能來實現他們基於位置的網絡應用。若是你一直記錄用戶的位置(好比運行應用來記錄運動軌跡)，你能夠收集到更加細緻化的數據。
9.在線教育
在線教育近幾年也發展迅速。優勢不少，免去了場地的限制，能讓名師的資源合理的分配給全國各地想要學習知識的同窗手上，Websocket是個不錯的選擇，能夠視頻聊天、即時聊天以及其與別人合做一塊兒在網上討論問題...
10.智能家居
這也是我一畢業加入的一個偉大的物聯網智能家居的公司。考慮到家裏的智能設備的狀態必須須要實時的展示在手機app客戶端上，毫無疑問選擇了Websocket。
11.總結
從上面我列舉的這些場景來看，一個共同點就是，高實時性！

二.WebSocket誕生由來

1.最開始的輪詢Polling階段

 

這種方式下，是不適合獲取實時信息的，客戶端和服務器之間會一直進行鏈接，每隔一段時間就詢問一次。客戶端會輪詢，有沒有新消息。這種方式鏈接數會不少，一個接受，一個發送。並且每次發送請求都會有Http的Header，會很耗流量，也會消耗CPU的利用率。

2.改進版的長輪詢Long polling階段

長輪詢是對輪詢的改進版，客戶端發送HTTP給服務器以後，有沒有新消息，若是沒有新消息，就一直等待。當有新消息的時候，纔會返回給客戶端。在某種程度上減少了網絡帶寬和CPU利用率等問題。可是這種方式仍是有一種弊端：例如假設服務器端的數據更新速度很快，服務器在傳送一個數據包給客戶端後必須等待客戶端的下一個Get請求到來，才能傳遞第二個更新的數據包給客戶端，那麼這樣的話，客戶端顯示實時數據最快的時間爲2×RTT（往返時間），並且若是在網絡擁塞的狀況下，這個時間用戶是不能接受的，好比在股市的的報價上。另外，因爲http數據包的頭部數據量每每很大（一般有400多個字節），可是真正被服務器須要的數據卻不多（有時只有10個字節左右），這樣的數據包在網絡上週期性的傳輸，不免對網絡帶寬是一種浪費。

3.WebSocket誕生

如今急需的需求是能支持客戶端和服務器端的雙向通訊，並且協議的頭部又沒有HTTP的Header那麼大，因而，Websocket就誕生了！

上圖就是Websocket和Polling的區別，從圖中能夠看到Polling裏面客戶端發送了好多Request，而下圖，只有一個Upgrade，很是簡潔高效。至於消耗方面的比較就要看下圖了

 

上圖中，咱們先看藍色的柱狀圖，是Polling輪詢消耗的流量，此次測試，HTTP請求和響應頭信息開銷總共包括871字節。固然每次測試不一樣的請求，頭的開銷不一樣。此次測試都以871字節的請求來測試。
**Use case A: **1,000 clients polling every second: Network throughput is (871 x 1,000) = 871,000 bytes = 6,968,000 bits per second (6.6 Mbps)
**Use case B: **10,000 clients polling every second: Network throughput is (871 x 10,000) = 8,710,000 bytes = 69,680,000 bits per second (66 Mbps)
**Use case C: **100,000 clients polling every 1 second: Network throughput is (871 x 100,000) = 87,100,000 bytes = 696,800,000 bits per second (665 Mbps)
而Websocket的Frame是 just two bytes of overhead instead of 871，僅僅用2個字節就代替了輪詢的871字節！
**Use case A: **1,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 1,000) = 2,000 bytes = 16,000 bits per second (0.015 Mbps)
**Use case B: **10,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 10,000) = 20,000 bytes = 160,000 bits per second (0.153 Mbps)
**Use case C: **100,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 100,000) = 200,000 bytes = 1,600,000 bits per second (1.526 Mbps)

相同的每秒客戶端輪詢的次數，當次數高達10W/s的高頻率次數的時候，Polling輪詢須要消耗665Mbps，而Websocket僅僅只花費了1.526Mbps，將近435倍！！

三.談談WebSocket協議原理

Websocket是應用層第七層上的一個應用層協議，它必須依賴 HTTP 協議進行一次握手 ，握手成功後，數據就直接從 TCP 通道傳輸，與 HTTP 無關了。

Websocket的數據傳輸是frame形式傳輸的，好比會將一條消息分爲幾個frame，按照前後順序傳輸出去。這樣作會有幾個好處：

1 大數據的傳輸能夠分片傳輸，不用考慮到數據大小致使的長度標誌位不足夠的狀況。
2 和http的chunk同樣，能夠邊生成數據邊傳遞消息，即提升傳輸效率。

0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+



    FIN      1bit 表示信息的最後一幀，flag，也就是標記符
    RSV 1-3  1bit each 之後備用的 默認都爲 0
    Opcode   4bit 幀類型，稍後細說
    Mask     1bit 掩碼，是否加密數據，默認必須置爲1 （這裏很蛋疼）
    Payload  7bit 數據的長度
    Masking-key      1 or 4 bit 掩碼
    Payload data     (x + y) bytes 數據
    Extension data   x bytes  擴展數據
    Application data y bytes  程序數據

具體的規範，還請看官網的RFC 6455文檔給出的詳細定義。這裏還有一個翻譯版本

四.WebSocket 和 Socket的區別與聯繫

首先，
Socket 其實並非一個協議。它工做在 OSI 模型會話層（第5層），是爲了方便你們直接使用更底層協議（通常是 TCP 或 UDP ）而存在的一個抽象層。Socket是對TCP/IP協議的封裝，Socket自己並非協議，而是一個調用接口(API)。

 

Socket一般也稱做」套接字」，用於描述IP地址和端口，是一個通訊鏈的句柄。網絡上的兩個程序經過一個雙向的通信鏈接實現數據的交換，這個雙向鏈路的一端稱爲一個Socket，一個Socket由一個IP地址和一個端口號惟一肯定。應用程序一般經過」套接字」向網絡發出請求或者應答網絡請求。

Socket在通信過程當中，服務端監聽某個端口是否有鏈接請求，客戶端向服務端發送鏈接請求，服務端收到鏈接請求向客戶端發出接收消息，這樣一個鏈接就創建起來了。客戶端和服務端也均可以相互發送消息與對方進行通信，直到雙方鏈接斷開。

因此基於WebSocket和基於Socket均可以開發出IM社交聊天類的app

五.iOS平臺有哪些WebSocket和Socket的開源框架

Socket開源框架有：CocoaAsyncSocket，socketio/socket.io-client-swift
WebSocket開源框架有:facebook/SocketRocket，tidwall/SwiftWebSocket

六.iOS平臺如何實現WebSocket協議

Talk is cheap。Show me the code ——Linus Torvalds

咱們今天來看看facebook/SocketRocket的實現方法
首先這是SRWebSocket定義的一些成員變量

@property (nonatomic, weak) id <SRWebSocketDelegate> delegate;
/**
 A dispatch queue for scheduling the delegate calls. The queue doesn't need be a serial queue.

 If `nil` and `delegateOperationQueue` is `nil`, the socket uses main queue for performing all delegate method calls.
 */
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t delegateDispatchQueue;
/**
 An operation queue for scheduling the delegate calls.

 If `nil` and `delegateOperationQueue` is `nil`, the socket uses main queue for performing all delegate method calls.
 */
@property (nonatomic, strong) NSOperationQueue *delegateOperationQueue;
@property (nonatomic, readonly) SRReadyState readyState;
@property (nonatomic, readonly, retain) NSURL *url;
@property (nonatomic, readonly) CFHTTPMessageRef receivedHTTPHeaders;
// Optional array of cookies (NSHTTPCookie objects) to apply to the connections
@property (nonatomic, copy) NSArray<NSHTTPCookie *> *requestCookies;

// This returns the negotiated protocol.
// It will be nil until after the handshake completes.
@property (nonatomic, readonly, copy) NSString *protocol;

下面這些是SRWebSocket的一些方法

// Protocols should be an array of strings that turn into Sec-WebSocket-Protocol.
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request;
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols;
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols allowsUntrustedSSLCertificates:(BOOL)allowsUntrustedSSLCertificates;

// Some helper constructors.
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url;
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols;
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols allowsUntrustedSSLCertificates:(BOOL)allowsUntrustedSSLCertificates;

// By default, it will schedule itself on +[NSRunLoop SR_networkRunLoop] using defaultModes.
- (void)scheduleInRunLoop:(NSRunLoop *)aRunLoop forMode:(NSString *)mode;
- (void)unscheduleFromRunLoop:(NSRunLoop *)aRunLoop forMode:(NSString *)mode;

// SRWebSockets are intended for one-time-use only.  Open should be called once and only once.
- (void)open;
- (void)close;
- (void)closeWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason;

///--------------------------------------
#pragma mark Send
///--------------------------------------

//下面是4個發送的方法
/**
 Send a UTF-8 string or binary data to the server.

 @param message UTF-8 String or Data to send.

 @deprecated Please use `sendString:` or `sendData` instead.
 */
- (void)send:(id)message __attribute__((deprecated("Please use `sendString:` or `sendData` instead.")));
- (void)sendString:(NSString *)string;
- (void)sendData:(NSData *)data;
- (void)sendPing:(NSData *)data;

@end

對應5種狀態的代理方法

///--------------------------------------
#pragma mark - SRWebSocketDelegate
///--------------------------------------
@protocol SRWebSocketDelegate <NSObject>

- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessage:(id)message;

@optional
- (void)webSocketDidOpen:(SRWebSocket *)webSocket;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didFailWithError:(NSError *)error;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didCloseWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason wasClean:(BOOL)wasClean;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceivePong:(NSData *)pongPayload;

// Return YES to convert messages sent as Text to an NSString. Return NO to skip NSData -> NSString conversion for Text messages. Defaults to YES.
- (BOOL)webSocketShouldConvertTextFrameToString:(SRWebSocket *)webSocket;
@end

didReceiveMessage方法是必須實現的，用來接收消息的。
下面4個did方法分別對應着Open，Fail，Close，ReceivePong不一樣狀態的代理方法

方法就上面這些了，咱們實際來看看代碼怎麼寫

先是初始化Websocket鏈接，注意此處ws://或者wss://鏈接有且最多隻能有一個，這個是Websocket協議規定的

self.ws = [[SRWebSocket alloc] initWithURLRequest:[NSURLRequest requestWithURL:[NSURL URLWithString:[NSString stringWithFormat:@"%@://%@:%zd/ws", serverProto, serverIP, serverPort]]]];
    self.ws.delegate = delegate;
    [self.ws open];

發送消息

[self.ws send:message];

接收消息以及其餘3個代理方法

//這個就是接受消息的代理方法了，這裏接受服務器返回的數據，方法裏面就應該寫處理數據，存儲數據的方法了。
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessage:(id)message
{
    NSDictionary *data = [NetworkUtils decodeData:message];
    if (!data)
        return;
}

//這裏是Websocket剛剛Open以後的代理方法。就想微信剛剛鏈接中，會顯示鏈接中，當鏈接上了，就不顯示鏈接中了，取消顯示鏈接的方法就應該寫在這裏面
- (void)webSocketDidOpen:(SRWebSocket *)webSocket
{
    // Open = silent ping
    [self.ws receivedPing];
}

//這是關閉Websocket的代理方法
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didCloseWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason wasClean:(BOOL)wasClean
{
    [self failedConnection:NSLS(Disconnected)];
}

//這裏是鏈接Websocket失敗的方法，這裏面通常都會寫重連的方法
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didFailWithError:(NSError *)error
{
    [self failedConnection:NSLS(Disconnected)];
}

最後

以上就是我想分享的一些關於Websocket的心得，文中若是有錯誤的地方，歡迎你們指點！通常沒有微信QQ那麼大用戶量的app，用Websocket應該均可以完成IM社交聊天的任務。當用戶達到億級別，應該還有不少須要優化，優化性能各類的吧。

最後，微信和QQ的實現方法也許並非只用Websocket和Socket這麼簡單，也許是他們本身開發的一套能支持這麼大用戶，大數據的，各方面也都優化都最優的方法。若是有開發和微信和QQ的大神看到這篇文章，能夠留言說說看大家用什麼方式實現的，也能夠和咱們一塊兒分享，咱們一塊兒學習！我先謝謝大神們的指點了！

小

做者：一縷殤流化隱半邊冰霜 連接：https://www.jianshu.com/p/bcefda55bce4 來源：簡書 簡書著做權歸做者全部，任何形式的轉載都請聯繫做者得到受權並註明出處。