JavaScript是如何工做: 深刻探索WebSocket和HTTP/2與SSE + 如何選擇正確的路徑！

時間 2019-11-10

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原文：《JavaScript是如何工做: 深刻探索 websocket 和HTTP/2與SSE +如何選擇正確的路徑！
做者：前端小智

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文章底部分享給你們一套 react + socket 實戰教程html

這是專門探索 JavaScript 及其所構建的組件的系列文章的第5篇。前端

若是你錯過了前面的章節，能夠在這裏找到它們：java

這一次，咱們將深刻到通訊協議的領域，映射和探討它們的屬性，並在此過程當中構建部分組件。快速比較WebSockets和 HTTP/2。最後，咱們分享一些關於如何選擇網絡協議的方法。react

簡介

現在，功能豐富、動態 ui 的複雜 web 應用程序被認爲是理所固然。這並不奇怪——互聯網自誕生以來已經走過了漫長的道路。web

最初，互聯網並非爲了支持這種動態和複雜的 web 應用程序而構建的。它被認爲是HTML頁面的集合，相互連接造成一個包含信息的「web」概念。一切都是圍繞 HTTP 的所謂請求/響應範式構建的。客戶端加載一個頁面，而後在用戶單擊並導航到下一個頁面以前什麼都不會發生。ajax

大約在2005年，AJAX被引入，不少人開始探索在客戶端和服務器之間創建雙向鏈接的可能性。儘管如此，全部HTTP 通訊都由客戶端引導，客戶端須要用戶交互或按期輪詢以從服務器加載新數據。編程

讓 HTTP 變成「雙向」交互

讓服務器可以「主動」向客戶機發送數據的技術已經出現了至關長的時間。例如「Push」和「Comet」。json

最多見的一種黑客攻擊方法是讓服務器產生一種須要向客戶端發送數據的錯覺，這稱爲長輪詢。經過長輪詢，客戶端打開與服務器的 HTTP 鏈接，使其保持打開狀態，直到發送響應爲止。每當服務器有新數據時須要發送時，就會做爲響應發送。小程序

看看一個很是簡單的長輪詢代碼片斷是什麼樣的:

(function poll(){
   setTimeout(function(){
      $.ajax({ 
        url: 'https://api.example.com/endpoint', 
        success: function(data) {
          // Do something with `data`
          // ...

          //Setup the next poll recursively
          poll();
        }, 
        dataType: 'json'
      });
  }, 10000);
})();

這基本上是一個自執行函數，第一次當即運行時，它設置了 10 秒間隔，在對服務器的每一個異步Ajax調用以後，回調將再次調用Ajax。

其餘技術涉及 Flash 或 XHR multipart request 和所謂的 htmlfiles 。

可是，全部這些工做區都有一個相同的問題:它們都帶有 HTTP 的開銷，這使得它們不適合於低延遲應用程序。想一想瀏覽器中的多人第一人稱射擊遊戲或任何其餘帶有實時組件的在線遊戲。

WebSockets 的引入

WebSocket 規範定義了在 web 瀏覽器和服務器之間創建「套接字」鏈接的 API。簡單地說:客戶機和服務器之間存在長久鏈接，雙方能夠隨時開始發送數據。

客戶端經過 WebSocket 握手過程創建 WebSocket 鏈接。這個過程從客戶機向服務器發送一個常規 HTTP 請求開始，這個請求中包含一個升級頭，它通知服務器客戶機但願創建一個 WebSocket 鏈接。

客戶端創建 WebSocket 鏈接方式以下：

// Create a new WebSocket with an encrypted connection.
var socket = new WebSocket('ws://websocket.example.com')

WebSocket url使用 ws 方案。還有 wss 用於安全的 WebSocket 鏈接，至關於HTTPS。

這個方案只是打開 websocket.example.com 的 WebSocket 鏈接的開始。

下面是初始請求頭的一個簡化示例：

若是服務器支持 WebSocke t協議，它將贊成升級，並經過響應中的升級頭進行通訊。

Node.js 的實現方式：

創建鏈接後，服務器經過升級頭部中內容時行響應:

一旦創建鏈接，open 事件將在客戶端 WebSocket 實例上被觸發:

var socket = new WebSocket('ws://websocket.example.com');

// Show a connected message when the WebSocket is opened.
socket.onopen = function(event) {
  console.log('WebSocket is connected.');
};

如今握手已經完成，初始 HTTP 鏈接被使用相同底層 TCP/IP 鏈接的 WebSocket 鏈接替換。此時，雙方均可以開始發送數據。

使用 WebSockets，能夠傳輸任意數量的數據，而不會產生與傳統 HTTP 請求相關的開銷。數據做爲消息經過 WebSocket 傳輸，每一個消息由一個或多個幀組成，其中包含正在發送的數據(有效負載)。爲了確保消息在到達客戶端時可以正確地進行重構，每一幀都以負載的4-12字節數據爲前綴，使用這種基於幀的消息傳遞系統有助於減小傳輸的非有效負載數據量，從而大大的減小延遲。

注意:值得注意的是，只有在接收到全部幀並重構了原始消息負載以後，客戶機纔會收到關於新消息的通知。

WebSocket URLs

以前簡要提到過 WebSockets 引入了一個新的URL方案。實際上，他們引入了兩個新的方案:ws:// 和wss://。

url 具備特定方案的語法。WebSocket url 的特殊之處在於它們不支持錨點(#sample_anchor)。

一樣的規則適用於 WebSocket 風格的url和 HTTP 風格的 url。ws 是未加密的，默認端口爲80，而 wss 須要TLS加密，默認端口爲 443。

幀協議

更深刻地瞭解幀協議，這是 RFC 爲咱們提供的：

在RFC 指定的 WebSocket 版本中，每一個包前面只有一個報頭。然而，這是一個至關複雜的報頭。如下是它的構建模塊:

FIN ：1bit ，表示是消息的最後一幀，若是消息只有一幀那麼第一幀也就是最後一幀，Firefox 在 32K 以後建立了第二個幀。
RSV1，RSV2，RSV3：每一個1bit，必須是0，除非擴展定義爲非零。若是接受到的是非零值可是擴展沒有定義，則須要關閉鏈接。
Opcode：4bit，解釋 Payload 數據，規定有如下不一樣的狀態，若是是未知的，接收方必須立刻關閉鏈接。狀態以下：
- 0x00: 附加數據幀
- 0x01：文本數據幀
- 0x02：二進制數據幀
- 0x3-7：保留爲以後非控制幀使用
- 0x8：關閉鏈接幀
- 0x9：ping
- 0xA：pong
- 0xB-F(保留爲後面的控制幀使用)
Mask：1bit，掩碼，定義payload數據是否進行了掩碼處理，若是是1表示進行了掩碼處理。
Masking-key:域的數據便是掩碼密鑰，用於解碼PayloadData。客戶端發出的數據幀須要進行掩碼處理，因此此位是1。
Payload_len：7位，7 + 16位，7+64位，payload數據的長度，若是是0-125，就是真實的payload長度，若是是126，那麼接着後面的2個字節對應的16位無符號整數就是payload數據長度；若是是127，那麼接着後面的8個字節對應的64位無符號整數就是payload數據的長度。
Masking-key：0到4字節，若是MASK位設爲1則有4個字節的掩碼解密密鑰，不然就沒有。
Payload data：任意長度數據。包含有擴展定義數據和應用數據，若是沒有定義擴展則沒有此項，僅含有應用數據。

爲何 WebSocket 是基於幀而不是基於流？我不知道，就像你同樣，我很想了解更多，因此若是你有想法，請隨時在下面的回覆中添加評論和資源。另外，關於這個主題的討論能夠在 HackerNews 上找到。

幀數據

如上所述，數據能夠被分割成多個幀。傳輸數據的第一幀有一個操做碼，表示正在傳輸什麼類型的數據。這是必要的，由於 JavaScript 在開始規範時幾乎不存在對二進制數據的支持。 0x01 表示 utf-8 編碼的文本數據，0x02 是二進制數據。大多數人會發送 JSON ，在這種狀況下，你可能要選擇文本操做碼。當你發送二進制數據時，它將在瀏覽器特定的 Blob 中表示。

經過 WebSocket 發送數據的API很是簡單:

var socket = new WebSocket('ws://websocket.example.com');
socket.onopen = function(event) {
  socket.send('Some message'); // Sends data to server.
};

當 WebSocket 接收數據時(在客戶端)，會觸發一個消息事件。此事件包括一個名爲data的屬性，可用於訪問消息的內容。

// Handle messages sent by the server.
socket.onmessage = function(event) {
  var message = event.data;
  console.log(message);
};

在Chrome開發工具:能夠很容易地觀察 WebSocket 鏈接中每一個幀中的數據：

消息分片

有效載荷數據能夠分紅多個單獨的幀。接收端應該對它們進行緩衝，直到設置好 fin 位。所以，能夠將字符串「Hello World」發送到11個包中，每一個包的長度爲6(報頭長度)+ 1字節。控件包不容許分片。可是，規範但願可以處理交錯的控制幀。這是TCP包以任意順序到達的狀況。

鏈接幀的邏輯大體以下：

接收第一幀
記住操做碼
將幀有效負載鏈接在一塊兒，直到 fin 位被設置
斷言每一個包的操做碼是零

分片目的是發送長度未知的消息。若是不分片發送，即一幀，就須要緩存整個消息，計算其長度，構建frame併發送；使用分片的話，可以使用一個大小合適的buffer，用消息內容填充buffer，填滿即發送出去。

什麼是跳動檢測？

主要目的是保障客戶端 websocket 與服務端鏈接狀態，該程序有心跳檢測及自動重連機制，當網絡斷開或者後端服務問題形成客戶端websocket斷開，程序會自動嘗試從新鏈接直到再次鏈接成功。

在使用原生websocket的時候，若是設備網絡斷開，不會觸發任何函數，前端程序沒法得知當前鏈接已經斷開。這個時候若是調用 websocket.send 方法，瀏覽器就會發現消息發不出去，便會馬上或者必定短期後（不一樣瀏覽器或者瀏覽器版本可能表現不一樣）觸發 onclose 函數。

後端 websocket 服務也可能出現異常，鏈接斷開後前端也並無收到通知，所以須要前端定時發送心跳消息 ping，後端收到 ping 類型的消息，立馬返回 pong 消息，告知前端鏈接正常。若是必定時間沒收到pong消息，就說明鏈接不正常，前端便會執行重連。

爲了解決以上兩個問題，之前端做爲主動方，定時發送 ping 消息，用於檢測網絡和先後端鏈接問題。一旦發現異常，前端持續執行重連邏輯，直到重連成功。

錯誤處理

以經過監聽 error 事件來處理全部錯誤：

var socket = new WebSocket('ws://websocket.example.com');

// Handle any error that occurs.
socket.onerror = function(error) {
  console.log('WebSocket Error: ' + error);
};

歡迎試用Fundebug的BUG監控服務，支持自動捕獲WebSocket鏈接錯誤。

關閉鏈接

要關閉鏈接，客戶機或服務器都應該發送包含操做碼0x8的數據的控制幀。當接收到這樣一個幀時，另外一個對等點發送一個關閉幀做爲響應，而後第一個對等點關閉鏈接，關閉鏈接後接收到的任何其餘數據都將被丟棄：

// Close if the connection is open.
if (socket.readyState === WebSocket.OPEN) {
    socket.close();
}

另外，爲了在完成關閉以後執行其餘清理，能夠將事件偵聽器附加到關閉事件：

// Do necessary clean up.
socket.onclose = function(event) {
  console.log('Disconnected from WebSocket.');
};

服務器必須監聽關閉事件以便在須要時處理它：

connection.on('close', function(reasonCode, description) {
    // The connection is getting closed.
});

WebSockets和HTTP/2 比較

雖然HTTP/2提供了不少功能，但它並無徹底知足對現有推送/流技術的需求。

關於 HTTP/2 的第一個重要的事情是它並不能替代全部的 HTTP 。verb、狀態碼和大部分頭信息將保持與目前版本一致。HTTP/2 是意在提高數據在線路上傳輸的效率。

比較HTTP/2和WebSocket，能夠看到不少類似之處:

正如咱們在上面看到的，HTTP/2引入了 Server Push，它使服務器可以主動地將資源發送到客戶機緩存。可是，它不容許將數據下推到客戶機應用程序自己，服務器推送只由瀏覽器處理，不會在應用程序代碼中彈出，這意味着應用程序沒有API來獲取這些事件的通知。

這就是服務器發送事件(SSE)變得很是有用的地方。SSE 是一種機制，它容許服務器在創建客戶機-服務器鏈接以後異步地將數據推送到客戶機。而後，只要有新的「數據塊」可用，服務器就能夠決定發送數據。它能夠看做是單向發佈-訂閱模式。它還提供了一個名爲 EventSource API 的標準JavaScript，做爲W3C HTML5標準的一部分，在大多數現代瀏覽器中實現。不支持 EventSource API 的瀏覽器能夠輕鬆地使用 polyfilled 方案來解決。

因爲 SSE 基於 HTTP ，所以它與 HTTP/2 很是合適，能夠結合使用以實現最佳效果：HTTP/2 處理基於多路複用流的高效傳輸層，SSE 將 API 提供給應用以啓用數據推送。

爲了理解 Streams 和 Multiplexing 是什麼，首先看一下`IETF定義:「stream」是在HTTP/2 鏈接中客戶機和服務器之間交換的獨立的、雙向的幀序列。它的一個主要特徵是，一個HTTP/2 鏈接能夠包含多個併發打開的流，任何一個端點均可以從多個流中交錯幀。

SSE 是基於 HTTP 的,這說明在 HTTP/2 中，不只能夠將多個 SSE 流交織到單個 TCP 鏈接上，並且還能夠經過多個 SSE 流（服務器到客戶端的推送）和多個客戶端請求（客戶端到服務器）。由於有 HTTP/2 和 SSE 的存在，如今有一個純粹的 HTTP 雙向鏈接和一個簡單的 API 就可讓應用程序代碼註冊到服務器推送服務上。在比較 SSE 和 WebSocket 時，缺少雙向能力每每被認爲是一個主要的缺陷。有了 HTTP/2，再也不有這種狀況。這樣就能夠跳過 WebSocket ，而堅持使用基於 HTTP 的信號機制。

如何選擇WebSocket和HTTP/2?

WebSockets 會在 HTTP/2 + SSE 的領域中生存下來，主要是由於它是一種已經被很好地應用的技術，而且在很是具體的使用狀況下，它比 HTTP/2 更具優點，由於它已經被構建用於具備較少開銷(如報頭)的雙向功能。

假設創建一個大型多人在線遊戲，須要來自鏈接兩端的大量消息。在這種狀況下，WebSockets 的性能會好不少。

通常狀況下，只要須要客戶端和服務器之間的真正低延遲，接近實時的鏈接，就使用 WebSocket ，這可能須要從新考慮如何構建服務器端應用程序，以及將焦點轉移到隊列事件等技術上。

使用的方案須要顯示實時的市場消息，市場數據，聊天應用程序等，依靠 HTTP/2 + SSE 將爲你提供高效的雙向通訊渠道，同時得到留在 HTTP 領域的各類好處：

當考慮到與現有 Web 基礎設施的兼容性時，WebSocket 一般會變成一個痛苦的源頭，由於它將 HTTP 鏈接升級到徹底不一樣於 HTTP 的協議。
規模和安全性：Web 組件（防火牆，入侵檢測，負載均衡）是以 HTTP 爲基礎構建，維護和配置的，這是大型/關鍵應用程序在彈性，安全性和可伸縮性方面更偏向的環境。

原文：https://blog.sessionstack.com...

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