内容简介:两者的依赖关系可参考:
socket.io
是基于Websocket 的Client-Server 实时通信库。 socket.io
底层使用 engine.io
封装了一层协议。
两者的依赖关系可参考: package.json
2. WebSocket 简介
Websocket 定义
参考规范 rfc6455
规范解释 Websocket
是一种提供客户端(提供不可靠秘钥)与服务端(校验通过该秘钥)进行 双向通信 的协议。
在没有 websocket
协议之前,要提供客户端与服务端实时 双向推送 消息,就会使用 polling
技术,客户端通过 xhr
或 jsonp
发送 消息给服务端,并通过事件回调来 接收 服务端消息。
这种技术虽然也能保证双向通信,但是有一个不可避免的问题,就是 性能问题 。客户端不断向服务端发送请求,如果客户端并发数过大,无疑导致服务端压力剧增。因此, websocket
就是解决这一痛点而诞生的。
这里再延伸一些名词:
- 长轮询 客户端向服务端发送
xhr
请求,服务端接收并hold
该请求,直到有新消息push
到客户端,才会主动断开该连接。然后,客户端处理该response
后再向服务端发起新的请求。以此类推。
HTTP1.1
默认使用长连接,使用长连接的 HTTP
协议,会在响应头中加入下面这行信息: Connection:keep-alive
- 短轮询 :
客户端不管是否收到服务端的 response
数据,都会定时想服务端发送请求,查询是否有数据更新。
- 长连接 指在一个
TCP
连接上可以发送多个数据包,在TCP
连接保持期间,如果没有数据包发送,则双方就需要发送心跳包
来维持此连接。
连接过程: 建立连接——数据传输——...——(发送心跳包,维持连接)——...——数据传输——关闭连接
- 短连接 指通信双方有数据交互时,建立一个
TCP
连接,数据发送完成之后,则断开此连接。
连接过程: 建立连接——数据传输——断开连接——...——建立连接——数据传输——断开连接
Tips
这里有一个 误解 ,长连接和短连接的概念本质上指的是传输层的 TCP
连接,因为 HTTP1.1
协议以后,连接默认都是长连接。没有短连接说法( HTTP1.0
默认使用短连接),网上大多数指的长短连接实质上说的就是 TCP
连接。 http
使用长连接的好处: 当我们请求一个网页资源的时候,会带有很多 js
、 css
等资源文件,如果使用的时短连接的话,就会打开很多 tcp
连接,如果客户端请求数过大,导致 tcp
连接数量过多,对服务端造成压力也就可想而知了。
- 单工 数据传输的方向唯一,只能由发送方向接收方的单一固定方向传输数据。
- 半双工 即通信双方既是接收方也是发送方,不过,在某一时刻只能允许向一个方向传输数据。
- 全双工 : 即通信双方既是接收方也是发送方,两端设备可以同时发送和接收数据。
Tips
单工、 半双工 和 全双工 这三者都是建立在 TCP
协议(传输层上)的概念,不要与应用层进行混淆。
3. 什么是Websocket
Websocket
协议也是基于 TCP
协议的,是一种双全工通信技术、复用 HTTP
握手通道。
Websocket
默认使用请求协议为: ws://
,默认端口: 80
。对 TLS
加密请求协议为: wss://
,端口: 443
。
3.1 特点
- 支持浏览器/Nodejs环境
- 支持双向通信
- API简单易用
- 支持二进制传输
- 减少传输数据量
3.2 建立连接过程
Websocket
复用了 HTTP
的握手通道。指的是,客户端发送 HTTP
请求,并在请求头中带上 Connection: Upgrade
、 Upgrade: websocket
,服务端识别该header之后,进行协议升级,使用 Websocket
协议进行数据通信。
参数说明
Request URL Request Method Status Code
规范解释: 当收到101请求状态码时,表明服务端理解并同意客户端请求,更改 Upgrade
header字段。服务端也必须在 response
中,生成对应的 Upgrade
值。
-
Connection
设置upgrade
header,通知服务端,该request
类型需要进行升级为websocket
。 upgrade_mechanism 规范 -
Host
服务端 hostname -
Origin
客户端 hostname:port -
Sec-WebSocket-Extensions
客户端向服务端发起请求扩展列表(list),供服务端选择并在响应中返回 -
Sec-WebSocket-Key
秘钥的值是通过规范中定义的算法进行计算得出,因此是不安全的,但是可以阻止一些误操作的websocket请求。 -
Sec-WebSocket-Accept
计算公式: 1. 获取客户端请求header的值:Sec-WebSocket-Key
2. 使用魔数magic = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11' 3. 通过SHA1
进行加密计算, sha1(Sec-WebSocket-Key + magic) 4. 将值转换为base64 -
Sec-WebSocket-Protocol
指定有限使用的Websocket协议,可以是一个协议列表(list)。服务端在response
中返回列表中支持的第一个值。 -
Sec-WebSocket-Version
指定通信时使用的Websocket协议版本。最新版本:13,历史版本 -
Upgrade
通知服务端,指定升级协议类型为websocket
3.3 数据帧格式
数据格式定义参考:规范 RFC6455
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 ... | +---------------------------------------------------------------+ 复制代码
-
FIN
: 1 bit 如果该位值为1,表示这是message
的最终片段(fragment
),如果为0,表示这是一个message
的第一个片段。 -
RSV1, RSV2, RSV3
: 各占1 bit 一般默认值是0,除非协商扩展,为非零值进行定义,否则收到非零值,并且没有进行协商扩展定义,则websocket
连接失败。 -
Opcode
: 4 bits 根据操作码(Opcode
),解析有效载荷数据(Payload data
).如果接受到未定义操作码,则应该断开websocket
连接。 -
Mask
: 1 bit 定义是否需要的载荷数据(``Payload data),进行掩码操作。如果设置值为1,那么在Masking-key
中会定义一个掩码key,并用这个key对载荷数据进行反掩码(unmask
)操作。所有从客户端发送到服务端的数据帧(frame
),mask都被设置为1. -
Payload length
: 7 bits, 7+16 bits, or 7+64 bits 载荷数据的长度。 -
Masking-key
: 0 or 4 bytes 所有从客户端传送到服务端的数据帧,数据载荷都进行了掩码操作,Mask为1,且携带了4字节的Masking-key。如果Mask为0,则没有Masking-key。 -
Payload data
: (x+y) bytes
3.4 心跳检测
为了确保客户端与服务端的长连接正常,有时即使客户端连接中断,但是服务端未触发 onclose
事件,这就有可能导致无效连接占用。所以需要一种机制,确保两端的连接处于正常状态, 心跳检测 就是这种机制。客户端每隔一段时间,会向服务端发送 心跳 (数据包),服务端也会返回 response
进行反馈连接正常。
4. socket.io 简介
socket.io
与 engine.io
的一大区别在于, socket.io
并不直接提供连接功能,而是在 engine.io
层提供。
socket.io
提供了一个 房间 ( Namespace
)概念。当客户端创建一个新的长连接时,就会分配一个新的 Namespace
进行区分。
// lookup 源码 var parsed = url(uri) var source = parsed.source var id = parsed.id var path = parsed.path // 查找相同房间 var sameNamespace = cache[id] && path in cache[id].nsps // 如果房间号已存在,创建新连接 var newConnection = sameNamespace // ... 复制代码
socket.io
也提供支持多路复用( built-in multiplexing
)方式,这表明每一个数据包( Packet
)都始终属于给定的 namespace
,并有 path
进行标识(例如: /xxxx
)
socket.io
可以在 open
之前, emit
消息,并且该消息会在 open
之后发出。而 engine.io
必须等到 open
之后,才能 send
消息。
socket.io
也支持断网重连( reconnection
)功能。
5. socket.io 工作流程
当使用 socket.io
创建一个长连接时,到底发生了什么呢?下面我们就来进入本文的正体:
const socket = io('http://localhost', { path: '/myownpath' }); 复制代码
首先, socket.io
通过一个 http
请求,并且该请求头中带有升级协议( Connection:Upgrade
、 Upgrade:websocket
)等信息,告诉服务端准备建立连接,此时,后端返回的 response
数据。 数据格式如下 :
0{"sid":"ab4507c4-d947-4deb-92e4-8a9e34a9f0b2","upgrades":["websocket"],"pingInterval":25000,"pingTimeout":60000} 复制代码
- 0 : 代表
open
标识 - sid : session id
- upgrades : 升级协议类型
- pingInterval :
ping
的间隔时长 - pingTimeout : 判断连接超时时长
当客户端收到响应之后, scoket.io
会根据当前客户端环境是否支持 Websocket
。如果支持,则建立一个 websocket
连接,否则使用 polling
( xhr
、 jsonp
)长轮询进行 双向数据通信 。
6. socket.io 协议解析
socket.io
协议中定义的数据格式称之为 Pakcet
,每一个 Packet
都含有 nsp
的对象值。
Packet
编码包可以是 UTF8 或 二进制 数据,编码格式如下:
< 包类型id >[< data >]
例如:
2probe
包类型id(packet type id)是一个整型,具体含义如下:
- 0 open 当打开一个新传输时,服务端检测并发送
- 1 close 请求关闭传输,但不是主动断开连接
- 2 ping 客户端发出,服务端应该返回包含相同数据的
pong
packet进行应答 - 3 pong 服务端发出,用以响应客户端的
ping
packet - 4 message 真实数据,客户端和服务端应该调用回调中的
data
// 服务端发送 send('4HelloWorld') // 客户端接收数据并调用回调 socket.on('message', function (data) { console.log(data); }); // 客户端发送 send('4HelloWorld') // 服务端接收数据并调用回调 socket.on('message', function (data) { console.log(data); }) 复制代码
- 5 upgrade 在
engine.io
切换传输之前,它会测试服务器和客户端是否可以通过此传输进行通信。如果此测试成功,客户端将发送升级数据包,请求服务器刷新旧传输上的缓存并切换到新传输。 - 6 noop
noop
packet。主要用于在收到传入的websocket
连接时强制轮询周期。2send 3probe 5
以上就是本文的全部内容,希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助,也希望大家多多支持 码农网
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数据结构、算法与应用
(美)Sartaj Sahni / 汪诗林、孙晓东、等 / 机械工业出版社 / 2000-01 / 49.00
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