WebSocket原理淺析與實現簡單聊天

前言

隨着 Web 的發展，用戶對於 Web 的實時推送要求也愈來愈高，在 WebSocket 出現以前，大多數狀況下是經過客戶端發起輪詢來拿到服務端實時更新的數據，由於 HTTP1.x 協議有一個缺陷就是通訊只能由客戶端發起，服務端無法主動給客戶端推送。這種方式在對實時性要求比較高的場景下，好比即時通信、即時報價等，顯然會十分低效，體驗也很差。爲了解決這個問題，便出現了 WebSocket 協議，實現了客戶端和服務端雙向通訊的能力。介紹 WebSocket 以前，仍是讓咱們先了解下輪詢實現推送的方式。

短輪詢（Polling）

短輪詢的實現思路就是瀏覽器端每隔幾秒鐘向服務器端發送 HTTP 請求，服務端在收到請求後，不管是否有數據更新，都直接進行響應。在服務端響應完成，就會關閉這個 TCP 鏈接，代碼實現也最簡單，就是利用 XHR ， 經過 setInterval 定時向後端發送請求，以獲取最新的數據。

setInterval(function() {
  fetch(url).then((res) => {
      // success code
  })
}, 3000);

• 優勢：實現簡單。
• 缺點：會形成數據在一小段時間內不一樣步和大量無效的請求，安全性差、浪費資源。

長輪詢（Long-Polling）

客戶端發送請求後服務器端不會當即返回數據，服務器端會阻塞請求鏈接不會當即斷開，直到服務器端有數據更新或者是鏈接超時才返回，客戶端纔再次發出請求新建鏈接、如此反覆從而獲取最新數據。大體效果以下：

客戶端代碼以下：

function async() {
    fetch(url).then((res) => {
        async();
        // success code
    }).catch(() => {
        // 超時
        async();
    })
}

• 優勢：比 Polling 作了優化，有較好的時效性。
• 缺點：保持鏈接掛起會消耗資源，服務器沒有返回有效數據，程序超時。

WebSocket

前面提到的短輪詢（Polling）和長輪詢（Long-Polling）， 都是先由客戶端發起 Ajax 請求，才能進行通訊，走的是 HTTP 協議，服務器端沒法主動向客戶端推送信息。

當出現相似體育賽事、聊天室、實時位置之類的場景時，輪詢就顯得十分低效和浪費資源，由於要不斷髮送請求，鏈接服務器。WebSocket 的出現，讓服務器端能夠主動向客戶端發送信息，使得瀏覽器具有了實時雙向通訊的能力。

沒用過 WebSocket 的人，可能會覺得它是個什麼高深的技術。其實否則，WebSocket 經常使用的 API 很少也很容易掌握，不過在介紹如何使用以前，讓咱們先看看它的通訊原理。

通訊原理

當客戶端要和服務端創建 WebSocket 鏈接時，在客戶端和服務器的握手過程當中，客戶端首先會向服務端發送一個 HTTP 請求，包含一個 Upgrade 請求頭來告知服務端客戶端想要創建一個 WebSocket 鏈接。

在客戶端創建一個 WebSocket 鏈接很是簡單：

let ws = new WebSocket('ws://localhost:9000');

相似於 HTTP 和 HTTPS，ws 相對應的也有 wss 用以創建安全鏈接，本地已 ws 爲例。這時的請求頭以下：

Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cache-Control: no-cache
Connection: Upgrade    // 表示該鏈接要升級協議
Cookie: _hjMinimizedPolls=358479; ts_uid=7852621249; CNZZDATA1259303436=1218855313-1548914234-%7C1564625892; csrfToken=DPb4RhmGQfPCZnYzUCCOOade; JSESSIONID=67376239124B4355F75F1FC87C059F8D; _hjid=3f7157b6-1aa0-4d5c-ab9a-45eab1e6941e; acw_tc=76b20ff415689655672128006e178b964c640d5a7952f7cb3c18ddf0064264
Host: localhost:9000
Origin: http://localhost:9000
Pragma: no-cache
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Key: 5fTJ1LTuh3RKjSJxydyifQ==        // 與響應頭 Sec-WebSocket-Accept 相對應
Sec-WebSocket-Version: 13    // 表示 websocket 協議的版本
Upgrade: websocket    // 表示要升級到 websocket 協議
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_14_0) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/76.0.3809.132 Safari/537.36

響應頭以下：

Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: ZUip34t+bCjhkvxxwhmdEOyx9hE=
Upgrade: websocket

​

此時響應行（General）中能夠看到狀態碼 status code 是 101 Switching Protocols ， 表示該鏈接已經從 HTTP 協議轉換爲 WebSocket 通訊協議。 轉換成功以後，該鏈接並無中斷，而是創建了一個全雙工通訊，後續發送和接收消息都會走這個鏈接通道。

注意，請求頭中有個 Sec-WebSocket-Key 字段，和相應頭中的 Sec-WebSocket-Accept 是配套對應的，它的做用是提供了基本的防禦，好比惡意的鏈接或者無效的鏈接。Sec-WebSocket-Key 是客戶端隨機生成的一個 base64 編碼，服務器會使用這個編碼，並根據一個固定的算法：

GUID = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";    //  一個固定的字符串
accept = base64(sha1(key + GUID));    // key 就是 Sec-WebSocket-Key 值，accept 就是 Sec-WebSocket-Accept 值

​

其中 GUID 字符串是 RFC6455 官方定義的一個固定字符串，不得修改。

客戶端拿到服務端響應的 Sec-WebSocket-Accept 後，會拿本身以前生成的 Sec-WebSocket-Key 用相同算法算一次，若是匹配，則握手成功。而後判斷 HTTP Response 狀態碼是否爲 101（切換協議），若是是，則創建鏈接，大功告成。

實現簡單單聊

下面來實現一個純文字消息類型的一對一聊天（單聊）功能，廢話很少說，直接上代碼，注意看註釋。

客戶端：

function connectWebsocket() {
    ws = new WebSocket('ws://localhost:9000');
    // 監聽鏈接成功
    ws.onopen = () => {
        console.log('鏈接服務端WebSocket成功');
        ws.send(JSON.stringify(msgData));    // send 方法給服務端發送消息
    };

    // 監聽服務端消息(接收消息)
    ws.onmessage = (msg) => {
        let message = JSON.parse(msg.data);
        console.log('收到的消息：', message)
        elUl.innerHTML += `<li class="b">小秋：${message.content}</li>`;
    };

    // 監聽鏈接失敗
    ws.onerror = () => {
        console.log('鏈接失敗，正在重連...');
        connectWebsocket();
    };

    // 監聽鏈接關閉
    ws.onclose = () => {
        console.log('鏈接關閉');
    };
};
connectWebsocket();

​

從上面能夠看到 WebSocket 實例的 API 很容易理解，簡單好用，經過 send() 方法能夠發送消息，onmessage 事件用來接收消息，而後對消息進行處理顯示在頁面上。 當 onerror 事件（監聽鏈接失敗）觸發時，最好進行執行重連，以保持鏈接不中斷。

服務端 Node : （這裏使用 ws 庫）

const path = require('path');
const express = require('express');
const app = express();
const server = require('http').Server(app);
const WebSocket = require('ws');

const wss = new WebSocket.Server({ server: server });

wss.on('connection', (ws) => { 

  // 監聽客戶端發來的消息
  ws.on('message', (message) => {
    console.log(wss.clients.size);
    let msgData = JSON.parse(message);   
    if (msgData.type === 'open') {
      // 初始鏈接時標識會話
      ws.sessionId = `${msgData.fromUserId}-${msgData.toUserId}`;
    } else {
      let sessionId = `${msgData.toUserId}-${msgData.fromUserId}`;
      wss.clients.forEach(client => {
        if (client.sessionId === sessionId) {
          client.send(message);     // 給對應的客戶端鏈接發送消息
        }
      })  
    }
  })

  // 鏈接關閉
  ws.on('close', () => {
    console.log('鏈接關閉');  
  });
});

​

同理，服務端也有對應的發送和接收的方法。完整示例代碼見 這裏

​

這樣瀏覽器和服務端就能夠愉快的發送消息了，效果以下：

其中綠色箭頭表示發出的消息，紅色箭頭表示收到的消息。

心跳保活

在實際使用 WebSocket 中，長時間不通消息可能會出現一些鏈接不穩定的狀況，這些未知狀況致使的鏈接中斷會影響客戶端與服務端以前的通訊，

爲了防止這種的狀況的出現，有一種心跳保活的方法：客戶端就像心跳同樣每隔固定的時間發送一次 ping ，來告訴服務器，我還活着，而服務器也會返回 pong ，來告訴客戶端，服務器還活着。ping/pong 實際上是一條與業務無關的假消息，也稱爲心跳包。

​

能夠在鏈接成功以後，每隔一個固定時間發送心跳包，好比 60s:

setInterval(() => {
    ws.send('這是一條心跳包消息');
}, 60000)

總結

經過上面的介紹，你們應該對 WebSocket 有了必定認識，其實並不神祕，這裏對文章內容簡單總結一下。當建立 WebSocket 實例的時候，會發一個 HTTP 請求，請求報文中有個特殊的字段 Upgrade ，而後這個鏈接會由 HTTP 協議轉換爲 WebSocket 協議，這樣客戶端和服務端創建了全雙工通訊，經過 WebSocket 的 send 方法和 onmessage 事件就能夠經過這條通訊鏈接交換信息。