認識node核心模塊--網絡編程

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在構建網絡通訊服務方面，相比於其餘老牌後端語言，Node.js 一樣可以勝任(也許更勝一籌)，而且有本身獨特的處理方式。node是一個面向網絡而生的平臺，它的事件驅動、非阻塞、單線程使node應用程序具備低內存、高併發、伸縮性強的優良特性，適合在分佈式網絡大展身手。Node底層實現了傳輸層TCP/UDP、應用層HTTP/HTTPS的功能並封裝成貼合網絡的API，而且能夠本身建立服務器而不依賴三方服務，使用起來很是方便、簡單、靈活。對於網絡編程，node提供了net、dgram、http、https 4個模塊，分別用於處理TCP、UDP、HTTP、HTTPS。本文將介紹這些模塊並利用這些模塊提供的API構建簡單的網絡服務。

正文

其實不管什麼語言、什麼平臺，實現網絡編程都須要遵循網絡標準規範，只不過具體實現或者提供的API不一樣而已。所以，在探討node網絡編程以前，咱們須要瞭解用於網絡通訊的網絡協議(推薦閱讀《圖解HTTP》)。理解了網絡通訊的規範和機制，再熟悉一下API就能夠了。

TCP/UDP

TCP(Transmission Control Protocol)傳輸控制協議是面向鏈接的協議，也就是必須創建鏈接才能發送數據。TCP在傳輸以前須要與服務器端進行3次握手造成會話(SYN是同步信號，ACK是確認信號)：

TCP傳送數據比較可靠，若是丟失數據會重傳，而且會對傳送數據進行排序。適用於重要、有序數據的傳送。

UDP(User Datagram Protocol)用戶數據報協議是無鏈接協議，不面向鏈接，面向事務，建立過程相對簡單，佔用內存底，處理快速且靈活，發送數據不須要與另外一端創建鏈接，且不分客戶端、服務器端，在一端便可以發送數據也能夠接收數據。傳送的數據是無序的，網絡中斷會致使丟包。UDP的簡單不可靠特性適用於丟失一部分數據不會形成太大影響的場景，如音視頻數據傳送等。

socket

網絡上的兩個程序經過一個雙向的通訊鏈接實現數據的交換，這個鏈接的一端稱爲一個socket(套接字)，所以創建網絡通訊鏈接至少要一對端口號(socket)。socket本質是對TCP/IP協議棧的封裝，它提供了一個針對TCP或者UDP編程的接口，並非另外一種協議。經過socket，你可使用TCP/IP協議。

Socket的英文原義是「孔」或「插座」。做爲BSD UNIX的進程通訊機制，取後一種意思。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，能夠用來實現不一樣虛擬機或不一樣計算機之間的通訊。在Internet上的主機通常運行了多個服務軟件，同時提供幾種服務。每種服務都打開一個Socket，並綁定到一個端口上，不一樣的端口對應於不一樣的服務。Socket正如其英文原意那樣，像一個多孔插座。一臺主機猶如佈滿各類插座的房間，每一個插座有一個編號，有的插座提供220伏交流電， 有的提供110伏交流電，有的則提供有線電視節目。 客戶軟件將插頭插到不一樣編號的插座，就能夠獲得不一樣的服務。

​ ——百度百科

建立TCP、UDP客戶端和服務端

在node中，net模塊提供建立基於TCP協議的網絡通訊的API，net.Socket類提供了 TCP 或 UNIX Socket 的抽象，net.createServer用於建立服務端，net.Socket和net.connect用於建立客戶端。

dgram模塊用於建立基於UDP協議的網絡服務，建立不分客戶端不分客戶端、服務器端，在一端使用dgram.createSocket便可發送數據也能夠接收數據。

http/https

http是應用層協議，創建在TCP/IP之上，https則創建在TLS、SSL加密層協議之上，現代web基本都是http/https應用。TCP在創建鏈接要發送報文，http也是，http報文分爲請求報文和響應報文，報文格式以下：

HTTP/1.0 200 OK    //起始行

Content-type:text/plain    //頭部
Content-length:19            //頭部  

Hi I'm a message!    //主體

其中最重要的莫過於頭部報文了，它定義了請求或響應的行爲方式，是客戶端與服務器端交流的重要信息。http報文頭部的屬性多達幾十個，並且愈來愈多，保證客戶端與服務器端充分交流。

現代瀏覽器，集成了HTTP代理功能，用戶點擊連接等行爲會由瀏覽器生成HTTP請求報文發送給服務器端，收到響應後會解析報文，渲染報文中的主體內容。

node中的http

node中http模塊提供建立基於http協議的網絡通訊應用的接口，繼承於net模塊，採用事件驅動機制，能與多個客戶端保持鏈接，並不爲每一個鏈接開啓新的進程或線程，低內存、高併發，性能優良。

「http模塊將鏈接所用套接字(socket)的讀寫抽象爲ServerRequest和ServerResponse對象，它們分別對應請求和響應操做。在請求產生的過程當中，http模塊拿到鏈接中傳來的數據，調用二進制模塊http_parser進行解析，在解析完請求報文的報頭後，觸發request事件，調用用戶的業務邏輯。」

​ ——樸靈《深刻淺出Node.js》

從上圖能夠看到，node中http模塊所作的事情就是繼承net模塊使用TCP協議、封裝http請求、產生http事件、響應事件綁定的處理程序。

http代理

node中http模塊提供了一個類http.Agent，它稱爲http代理，它的做用就是爲了重用TCP鏈接，減小資源浪費。那麼http代理是如何重用TCP鏈接呢？http代理維護一個鏈接池，從客戶端發起的http請求都經由代理管理：

它爲一個給定的主機與端口維護着一個等待請求的隊列，且爲每一個請求重複使用一個單一的 socket(TCP) 鏈接直到隊列爲空，此時 socket(TCP 鏈接) 會被銷燬或被放入一個鏈接池中，在鏈接池中等待被有着相同主機與端口的請求再次使用。 是否被銷燬或被放入鏈接池取決於 keepAlive選項

​ ——Node.js 8.9.0中文文檔

鏈接池如何管理鏈接還得取決於服務器：

即使鏈接池中的鏈接的 TCP Keep-Alive 是開啓的，服務器仍然可能關閉閒置的鏈接，在這種狀況下，這些鏈接會被移出鏈接池，且當一個新的 HTTP 請求被建立時再爲指定的主機與端口建立一個新的鏈接。 服務器也可能拒絕容許同一鏈接上有多個請求，在這種狀況下，鏈接會爲每一個請求從新建立，且不能被放入鏈接池。Agent 仍然會建立請求到服務器，但每一個請求會出如今一個新的鏈接。

但一個鏈接被客戶端或服務器關閉時，它會被移出鏈接池。 鏈接池中任何未被使用的 socket 會被釋放，從而使 Node.js 進程在沒有請求時不用保持運行。

​ ——Node.js 8.9.0中文文檔

http模塊除了提供代理類，還提供了：

• http.ClientRequest類—— 表示一個正在處理的請求，這個請求還能設置請求頭
• http.Server類——繼承net.Server，並添加了一些事件
• http.ServerResponse類——表明響應
• http.createServer方法——建立服務器，返回http.Server實例
• http.request方法——顯式發出請求
• 各類請求、響應對應的事件

建立http服務器

// node建立服務器很是簡單，不須要任何三方代理
var http = require('http');
http.createServer(function (req, res) {
  res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'})
  res.end('Hello World\n');
}).listen(8880, '127.0.0.1');
console.log('Server running at http://127.0.0.1:8880/')

建立http請求

使用http.request便可發送請求。

WebSocket

一問一答是HTTP協議的特色，然而服務器主動向客戶端推送數據的場景也是常見的、被須要的。在WebSocket出現以前，實現客戶端和服務器端雙工通訊通常只能經過多開幾個HTTP鏈接、以輪詢方式來實現。因爲HTTP一問一答的特色不適合這種場景，就算HTTP1.1新增的Keep-Alive也不能很好的解決這種問題，因而WebSocket協議就出現了。

WebSocket協議可讓客戶端與服務器端實現雙向通訊，服務端能夠主動發送數據到客戶端。創建WebSocket協議鏈接時，客戶端會發送一條HTTP請求，請求服務器端切換協議爲WebSocket，服務器端若是支持WebSocket協議，就會返回一條HTTP響應表示正在切換WebSocket協議並切換。以後就能夠互相發送數據了。

使用WebSocket協議構建應用有如下優勢：

• 客戶端能夠與服務器端實現雙向通訊，服務端能夠主動發送數據到客戶端
• 經過第一個request創建了TCP鏈接以後，以後交換的數據都不須要發送 HTTP header就能交換數據

目前大多數瀏覽器已經實現WebSocket，能夠直接使用：

var socket = new WebSocket('ws://localhost:3000/') // 路徑中的協議改成ws(WebSocket)
socket.onopen = function () {
  // 鏈接打開要作的事
};
socket.onmessage = function (event) {
  // 接收到服務端的信息（event.data）
};

調用WebSocket後瀏覽器會發送一個HTTP請求，請求報文以下：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket // 請求協議升級爲websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== //校驗值
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

在Node原生模塊中沒有支持WebSocket協議鏈接功能的模塊，但Node有不少三方模塊來幫助作這件事，經常使用的ws模塊方法以下：

// 導入WebSocket模塊:
const WebSocket = require('ws');

// 引用Server類:
const WebSocketServer = WebSocket.Server;

// 實例化:
const wss = new WebSocketServer({     // 在本地3000端口打開一個WebSocket Server
    port: 3000
});

wss.on('connection', function (ws) {
    console.log(`[SERVER] connection()`);
    ws.on('message', function (message) {
        console.log(`[SERVER] Received: ${message}`);
        ws.send(`ECHO: ${message}`, (err) => {
            if (err) {
                console.log(`[SERVER] error: ${err}`);
            }
        });
    })
});

服務器返回的響應報文以下：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo= // 返回通過計算得出的校驗值 
Sec-WebSocket-Protocol: chat

使用框架進行網絡編程

Node網絡模塊中提供的API較爲底層，有時在構建網絡應用程序並不須要關心底層實現，這時就能夠藉助三方框架封裝好的API來幫助咱們，經常使用的框架包括express、koa、connect等。