『互联网架构』软件架构-netty之websocket协议应用实践（59）

今天所说的websocket是个文本协议，还是二进制协议呢？

源码：https://github.com/limingios/netFuture/tree/master/源码/『互联网架构』软件架构-io与nio线程模型reactor模型（上）（53）/nio

（一）websocket协议概述

假设我们要实现一个WEB版的聊天室可以采用哪些方案？

1.Ajax轮询去服务器取消息

客户端按照某个时间间隔不断地向服务端发送请求，请求服务端的最新数据然后更新客户端显示。这种方式实际上浪费了大量流量并且对服务端造成了很大压力。

2.Flash XMLSocket

在 HTML 页面中内嵌入一个使用了 XMLSocket 类的 Flash 程序。JavaScript 通过调用此Flash程序提供的套接口接口与服务器端的套接口进行通信。JavaScript 在收到服务器端以 XML 格式传送的信

息后可以很容易地控制 HTML 页面的内容显示。

• 以上方案的弊端

  >Ajax 轮询：

1. Http为半双工协议，也就是说同一时刻，只有一个方向的数据传送。
2. Http消息冗长，包含请求行、请求头、请求体。占用很多的带宽和服务器资源。
3. 空轮询问题。
4. 政府项目直接用ajax，别搞那么复杂，它不存在并发问题。

• webSocket 协议简介
  

  webSocket 是html5 开始提供的一种浏览器与服务器间进行全双工二进制通信协议，其基于TCP双向全双工作进行消息传递，同一时刻即可以发又可以接收消息，相比Http的半双工协议性能有很大的提升。

• webSocket特点如下：

1. 单一TCP长连接，采用全双工通信模式。
2. 对代理、防火墙透明，80端口必须打开吧。
3. 无头部信息、消息更精简。
4. 通过ping/pong 来保活。
5. 服务器可以主动推送消息给客户端，不在需要客户轮询。

• WebSocket 协议报文格式

  >任何应用协议都有其特有的报文格式，比如Http协议通过 空格 换行组成其报文。如http 协议不同在于WebSocket属于二进制协议，通过规范进二进位来组成其报文。

• 报文说明：

  >FIN

标识是否为此消息的最后一个数据包，占 1 bit

 RSV1, RSV2, RSV3 

用于扩展协议，一般为0，各占1bit

Opcode

数据包类型（frame type），占4bits

0x0：标识一个中间数据包

0x1：标识一个text类型数据包

0x2：标识一个binary类型数据包

0x3-7：保留

0x8：标识一个断开连接类型数据包

0x9：标识一个ping类型数据包

0xA：表示一个pong类型数据包

0xB-F：保留

MASK

占1bits

用于标识PayloadData是否经过掩码处理。如果是1，Masking-key域的数据即是掩码密钥，用于解码

PayloadData。客户端发出的数据帧需要进行掩码处理，所以此位是1。

 Payload length 

Payload data的长度，占7bits，7+16bits，7+64bits：

如果其值在0-125，则是payload的真实长度。如果值是126，则后面2个字节形成的16bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。如果值是127，则后面8个字节形成的64bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。

 Payload data 

应用层数据

• WebSocket 在浏览当中的使用

  >Http 连接与webSocket 连接建立示意图

通过javaScript 中的API可以直接操作WebSocket 对象

var ws = new WebSocket(“ws://localhost:8080”);
ws.onopen = function()// 建⽴成功之后触发的事件
{
    console.log(“打开连接”);
    ws.send("ddd"); // 发送消息
};
ws.onmessage = function(evt) { // 接收服务器消息
    console.log(evt.data);
};
ws.onclose = function(evt) {
    console.log(“WebSocketClosed!”); // 关闭连接
};
ws.onerror = function(evt) {
    console.log(“WebSocketError!”); // 连接异常
};

1.申请一个WebSocket对象，并传入WebSocket地址信息，这时client会通过Http先发起握手请求

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket //告诉服务端需要将通信协议升级到websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== //浏览器base64加密的密钥，server端收到后需
要提取Sec-WebSocket-Key 信息，然后加密。
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat //表⽰客⼾端请求提供的可供选择的⼦协议
Sec-WebSocket-Version: 13 //版本标识

2.服务端响应、并建立连接

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: SIEylb7zRYJAEgiqJXaOW3V+ZWQ=

3.握手成功促发客户端 onOpen 事件

• 连接状态查看

  >通过ws.readyState 可查看当前连接状态可选值

1. CONNECTING (0)：表示还没建立连接。
2. OPEN (1)： 已经建立连接，可以进行通讯。
3. CLOSING (2)：通过关闭握手，正在关闭连接。
4. CLOSED (3)：连接已经关闭或无法打开。

（二）netty实现websocket演示

源码：websocket

WebsocketServer.java

package com.dig8.websocket;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

public class WebsocketServer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();


        try{
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    .childHandler(new WebSocketChannelInitializer());

            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8989).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        }finally{
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

 WebSocketChannelInitializer.java 

package com.dig8.websocket;

import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerProtocolHandler;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;


public class WebSocketChannelInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        //HttpServerCodec: 针对http协议进行编解码
        pipeline.addLast("httpServerCodec", new HttpServerCodec());
        //ChunkedWriteHandler分块写处理，文件过大会将内存撑爆
        pipeline.addLast("chunkedWriteHandler", new ChunkedWriteHandler());
        /**
         * 作用是将一个Http的消息组装成一个完成的HttpRequest或者HttpResponse，那么具体的是什么
         * 取决于是请求还是响应, 该Handler必须放在HttpServerCodec后的后面
         */
        pipeline.addLast("httpObjectAggregator", new HttpObjectAggregator(8192));

        //用于处理websocket, /ws为访问websocket时的uri
        pipeline.addLast("webSocketServerProtocolHandler", new WebSocketServerProtocolHandler("/ws"));

        pipeline.addLast("myWebSocketHandler", new WebSocketHandler());
    }
}

 WebSocketHandler.java 

package com.dig8.websocket;

import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;

import java.util.Date;


public class WebSocketHandler extends SimpleChannelInboundHandler<TextWebSocketFrame> {

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, TextWebSocketFrame msg) throws Exception {
        Channel channel = ctx.channel();
        System.out.println(channel.remoteAddress() + ": " + msg.text());
        ctx.channel().writeAndFlush(new TextWebSocketFrame("来自服务端: " + new Date().toString()));
    }

    @Override
    public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("ChannelId" + ctx.channel().id().asLongText());
    }

    @Override
    public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("用户下线: " + ctx.channel().id().asLongText());
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.channel().close();
    }
}

 test.html 

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Socket</title>
    <script type="text/javascript">
        var websocket;

        //如果浏览器支持WebSocket
        if(window.WebSocket){
            websocket = new WebSocket("ws://localhost:8989/ws");  //获得WebSocket对象

            //当有消息过来的时候触发
            websocket.onmessage = function(event){
                var respMessage = document.getElementById("respMessage");
                respMessage.value = respMessage.value + "\n" + event.data;
            }

            //连接关闭的时候触发
            websocket.onclose = function(event){
                var respMessage = document.getElementById("respMessage");
                respMessage.value = respMessage.value + "\n断开连接";
            }

            //连接打开的时候触发
            websocket.onopen = function(event){
                var respMessage = document.getElementById("respMessage");
                respMessage.value = "建立连接";
            }
        }else{
            alert("浏览器不支持WebSocket");
        }

        function sendMsg(msg) { //发送消息
            if(window.WebSocket){
                if(websocket.readyState == WebSocket.OPEN) { //如果WebSocket是打开状态
                    websocket.send(msg); //send()发送消息
                }
            }else{
                return;
            }
        }
    </script>
</head>
<body>
<form onsubmit="return false">
    <textarea style="width: 300px; height: 200px;" name="message"></textarea>
    <input type="button" onclick="sendMsg(this.form.message.value)" value="发送"><br>
    <h3>信息</h3>
    <textarea style="width: 300px; height: 200px;" id="respMessage"></textarea>
    <input type="button" value="清空" onclick="javascript:document.getElementById('respMessage').value = ''">
</form>
</body>
</html>

PS：netty的实现http和websocket基本也就说到这里，具体netty实现RPC这块我没演示，我感觉没必要成熟的框架都是基于netty实现的自己在现实个RPC真没必要，如果想看netty实现RPC直接看dubbo源码就可以了，下次一起说说消息中间件rocketmq。

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