2018/04/18 - 基于socket.io快速实现一个实时通讯应用

[wieve]

随着web技术的发展，使用场景和需求也越来越复杂，客户端不再满足于简单的请求得到状态的需求。实时通讯越来越多应用于各个领域。

HTTP是最常用的客户端与服务端的通信技术，但是HTTP通信只能由客户端发起，无法及时获取服务端的数据改变。只能依靠定期轮询来获取最新的状态。时效性无法保证，同时更多的请求也会增加服务器的负担。

WebSocket技术应运而生。

WebSocket概念

不同于HTTP半双工协议，WebSocket是基于TCP 连接的全双工协议，支持客户端服务端双向通信。

WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。

实现

原生实现

WebSocket对象一共支持四个消息 onopen, onmessage, onclose和onerror。

建立连接

通过javascript可以快速的建立一个WebSocket连接：

    var Socket = new WebSocket(url, [protocol] );

以上代码中的第一个参数url, 指定连接的URL。第二个参数 protocol是可选的，指定了可接受的子协议。

同http协议使用http://开头一样，WebSocket协议的URL使用ws://开头，另外安全的WebSocket协议使用wss://开头。

1. 当Browser和WebSocketServer连接成功后，会触发onopen消息。

    Socket.onopen = function(evt) {};

2. 如果连接失败，发送、接收数据失败或者处理数据出现错误，browser会触发onerror消息。

    Socket.onerror = function(evt) { };

3. 当Browser接收到WebSocketServer端发送的关闭连接请求时，就会触发onclose消息。

    Socket.onclose = function(evt) { };

收发消息

1. 当Browser接收到WebSocketServer发送过来的数据时，就会触发onmessage消息，参数evt中包含server传输过来的数据。

    Socket.onmessage = function(evt) { };

2. send用于向服务端发送消息。

    Socket.send();

socket

WebSocket是跟随HTML5一同提出的，所以在兼容性上存在问题，这时一个非常好用的库就登场了——Socket.io。

socket.io封装了websocket，同时包含了其它的连接方式，你在任何浏览器里都可以使用socket.io来建立异步的连接。socket.io包含了服务端和客户端的库，如果在浏览器中使用了socket.io的js，服务端也必须同样适用。

socket.io是基于 Websocket 的Client-Server 实时通信库。

socket.io底层是基于engine.io这个库。engine.io为 socket.io 提供跨浏览器/跨设备的双向通信的底层库。engine.io使用了 Websocket 和 XHR 方式封装了一套 socket 协议。在低版本的浏览器中，不支持Websocket，为了兼容使用长轮询(polling)替代。

API文档

Socket.io允许你触发或响应自定义的事件，除了connect，message，disconnect这些事件的名字不能使用之外，你可以触发任何自定义的事件名称。

建立连接

    const socket = io("ws://0.0.0.0:port"); // port为自己定义的端口号
    let io = require("socket.io")(http);
    io.on("connection", function(socket) {})

消息收发

一、发送数据

    socket.emit(自定义发送的字段, data);

二、接收数据

    socket.on(自定义发送的字段, function(data) {
        console.log(data);
    })

断开连接

一、全部断开连接

    let io = require("socket.io")(http);
    io.close();

二、某个客户端断开与服务端的链接

    // 客户端
    socket.emit("close", {});

    // 服务端
    socket.on("close", data => {
        socket.disconnect(true);
    });

room和namespace

有时候websocket有如下的使用场景：1.服务端发送的消息有分类，不同的客户端需要接收的分类不同；2.服务端并不需要对所有的客户端都发送消息，只需要针对某个特定群体发送消息；

针对这种使用场景，socket中非常实用的namespace和room就上场了。

先来一张图看看namespace与room之间的关系：

namespace

服务端

    io.of("/post").on("connection", function(socket) {
        socket.emit("new message", { mess: `这是post的命名空间` });
    });
    
    io.of("/get").on("connection", function(socket) {
        socket.emit("new message", { mess: `这是get的命名空间` });
    });

客户端

    // index.js
    const socket = io("ws://0.0.0.0:****/post");
    socket.on("new message", function(data) {
        console.log('index',data);
    }
    
    //message.js
    const socket = io("ws://0.0.0.0:****/get");
    socket.on("new message", function(data) {
        console.log('message',data);
    }

room

客户端

    //可用于客户端进入房间;
    socket.join('room one');
    //用于离开房间;
    socket.leave('room one');

服务端

    io.sockets.on('connection',function(socket){
        //提交者会被排除在外（即不会收到消息）
        socket.broadcast.to('room one').emit('new messages', data);
        // 向所有用户发送消息
        io.sockets.to(data).emit("recive message", "hello,房间中的用户");      
    }

用socket.io实现一个实时接收信息的例子

终于来到应用的阶段啦，服务端用node.js模拟了服务端接口。以下的例子都在本地服务器中实现。

服务端

先来看看服务端，先来开启一个服务，安装express和socket.io

安装依赖

    npm install --Dev express
    npm install --Dev socket.io

构建node服务器

    let app = require("express")();
    let http = require("http").createServer(handler);
    let io = require("socket.io")(http);
    let fs = require("fs");
    
    http.listen(port); //port:输入需要的端口号
    
    function handler(req, res) {
      fs.readFile(__dirname + "/index.html", function(err, data) {
        if (err) {
          res.writeHead(500);
          return res.end("Error loading index.html");
        }
    
        res.writeHead(200);
        res.end(data);
      });
    }
    
    io.on("connection", function(socket) {
        console.log('连接成功');
        //连接成功之后发送消息
        socket.emit("new message", { mess: `初始消息` });
        
    });

客户端

核心代码——index.html（向服务端发送数据）

    <div>发送信息</div>
    <input placeholder="请输入要发送的信息" />
    <button onclick="postMessage()">发送</button>

    // 接收到服务端传来的name匹配的消息
    socket.on("new message", function(data) {
      console.log(data);
    });
    
    function postMessage() {
      socket.emit("recive message", {
        message: content,
        time: new Date()
      });
      messList.push({
        message: content,
        time: new Date()
      });
    }

核心代码——message.html（从服务端接收数据）

    socket.on("new message", function(data) {
      console.log(data);
    });

效果

实时通讯效果

客户端全部断开连接

某客户端断开连接

namespace应用

加入房间

离开房间

框架中的应用

npm install socket.io-client

    const socket = require('socket.io-client')('http://localhost:port');

    componentDidMount() {
        socket.on('login', (data) => {
            console.log(data)
        });
        socket.on('add user', (data) => {
            console.log(data)
        });
        socket.on('new message', (data) => {
            console.log(data)
        });
    }

分析webSocket协议

Headers

请求包

    Accept-Encoding: gzip, deflate
    Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8
    Cache-Control: no-cache
    Connection: Upgrade
    Cookie: MEIQIA_VISIT_ID=1IcBRlE1mZhdVi1dEFNtGNAfjyG; token=0b81ffd758ea4a33e7724d9c67efbb26; io=ouI5Vqe7_WnIHlKnAAAG
    Host: 0.0.0.0:2699
    Origin: http://127.0.0.1:5500
    Pragma: no-cache
    Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
    Sec-WebSocket-Key: PJS0iPLxrL0ueNPoAFUSiA==
    Sec-WebSocket-Version: 13
    Upgrade: websocket
    User-Agent: Mozilla/5.0 (iPhone; CPU iPhone OS 11_0 like Mac OS X) AppleWebKit/604.1.38 (KHTML, like Gecko) Version/11.0 Mobile/15A372 Safari/604.1

请求包说明：

• 必须是有效的http request 格式；
• HTTP request method 必须是GET，协议应不小于1.1 如： Get / HTTP/1.1；
• 必须包括Upgrade头域，并且其值为“websocket”，用于告诉服务器此连接需要升级到websocket;
• 必须包括”Connection” 头域，并且其值为“Upgrade”;
• 必须包括”Sec-WebSocket-Key”头域，其值采用base64编码的随机16字节长的字符序列;
• 如果请求来自浏览器客户端，还必须包括Origin头域 。 该头域用于防止未授权的跨域脚本攻击，服务器可以从Origin决定是否接受该WebSocket连接;
• 必须包括“Sec-webSocket-Version”头域，是当前使用协议的版本号，当前值必须是13;
• 可能包括“Sec-WebSocket-Protocol”，表示client（应用程序）支持的协议列表，server选择一个或者没有可接受的协议响应之;
• 可能包括“Sec-WebSocket-Extensions”， 协议扩展， 某类协议可能支持多个扩展，通过它可以实现协议增强;
• 可能包括任意其他域，如cookie.

应答包

应答包说明：

    Connection: Upgrade
    Sec-WebSocket-Accept: I4jyFwm0r1J8lrnD3yN+EvxTABQ=
    Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate
    Upgrade: websocket

• 必须包括Upgrade头域，并且其值为“websocket”;
• 必须包括Connection头域，并且其值为“Upgrade”;
• 必须包括Sec-WebSocket-Accept头域，其值是将请求包“Sec-WebSocket-Key”的值，与”258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11″这个字符串进行拼接，然后对拼接后的字符串进行sha-1运算，再进行base64编码，就是“Sec-WebSocket-Accept”的值；
• 应答包中冒号后面有一个空格；
• 最后需要两个空行作为应答包结束。

请求数据

    EIO: 3
    transport: websocket
    sid: 8Uehk2UumXoHVJRzAAAA

• EIO:3 表示使用的是engine.io协议版本3
• transport 表示传输采用的类型
• sid: session id （String）

Frames

WebSocket协议使用帧（Frame）收发数据,在控制台->Frames中可以查看发送的帧数据。

其中帧数据前的数字代表什么意思呢？

这是 Engine.io协议，其中的数字是数据包编码：

[]

• 0 open——在打开新传输时从服务器发送（重新检查）

• 1 close——请求关闭此传输，但不关闭连接本身。

• 2 ping——由客户端发送。服务器应该用包含相同数据的乓包应答

  客户端发送：2probe探测帧

• 3 pong——由服务器发送以响应ping数据包。

  服务器发送：3probe,响应客户端

• 4 message——实际消息，客户端和服务器应该使用数据调用它们的回调。

• 5 upgrade——在engine.io切换传输之前，它测试，如果服务器和客户端可以通过这个传输进行通信。如果此测试成功，客户端发送升级数据包，请求服务器刷新其在旧传输上的缓存并切换到新传输。

• 6 noop——noop数据包。主要用于在接收到传入WebSocket连接时强制轮询周期。

实例

以上的截图是上述例子中数据传输的实例，分析一下大概过程就是：

1. connect握手成功
2. 客户端会发送2 probe探测帧
3. 服务端发送响应帧3probe
4. 客户端会发送内容为5的Upgrade帧
5. 服务端回应内容为6的noop帧
6. 探测帧检查通过后，客户端停止轮询请求，将传输通道转到websocket连接，转到websocket后，接下来就开始定期(默认是25秒)的 ping/pong
7. 客户端、服务端收发数据，4表示的是engine.io的message消息，后面跟随收发的消息内容

为了知道Client和Server链接是否正常，项目中使用的ClientSocket和ServerSocket都有一个心跳的线程，这个线程主要是为了检测Client和Server是否正常链接，Client和Server是否正常链接主要是用ping pong流程来保证的。

该心跳定期发送的间隔是socket.io默认设定的25m，在上图中也可观察发现。该间隔可通过配置修改。

参考engine.io-protocol

参考文章

Web 实时推送技术的总结
engine.io 原理详解

广而告之

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