WebSocket原理及技术简介

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WebSocket原理及技术简介

 

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WebSocket用于在Web浏览器和服务器之间进行任意的双向数据传输的一种技术。WebSocket协议基于TCP协议实现，包含初始的握手过程，以及后续的多次数据帧双向传输过程。其目的是在WebSocket应用和WebSocket服务器进行频繁双向通信时，可以使服务器避免打开多个HTTP连接进行工作来节约资源，提高了工作效率和资源利用率。

1.引言

互联网发展的早期，网站上只是一些静态展示页面。用户请求(Request)网站页面，网站回复(Response)页面内容给用户浏览器。因为需求简单，所以也没有很复杂的协议过程。这种形式的Request/Response交互流程如下图所示：

图 11 Request/Response

    随着互联网技术的发展，带宽逐步提高，用户数也越来越庞大。对互联网的呈现内容提出了要求，随之出现了动态页面技术，对同一个页面，页面的某些部分对不同的访问用户，呈现的内容不同。相关的实现技术有CGI、ASP、PHP、JSP等。由于访问量的增加，WEB服务器同时处理的用户数也达到了万(10K)以上级别，这就是C10K问题：” The C10K problem“[1]。为了缓解服务器压力，每次Request/Response后连接(TCP连接)继续保持，以及对同一个TCP连接，多次复用Request/Response的方法(也称为Pipeline)也提了出来。这就是HTTP/1.1协议中长连接的主要内容。

伴随移动互联网的发展，大量移动终端和其上的APP应用接入网络，HTML5技术也提了出来，以便支持WEB上的音视频播放、实时游戏、实时聊天等。催生了这样一个需求，当服务器有更新时，需要立即将数据发送给客户端，这就是基于服务器端的推送技术。

WEBSOCKET之前的解决方法大概这么几种： 1)轮询：客户端设置一个时间间隔，时间到以后，向服务器发送request询问有无新数据，服务器立即返回response，如果有更新则携带更新的数据。2)长连接(long poll): 和轮询相似，但是为阻塞模式的轮询，客户端请求新的数据request, 服务器会阻塞请求，直到有新数据后才返回response给客户端；然后客户端再重复此过程。这两种方式的特点，不断的建立HTTP连接，然后发送请求request，之后服务器等待处理。服务端体现的是一种被动性，同时这种处理方式，非常耗费网络带宽和服务器资源。

服务器向客户端推送更新时，因为被动性，对低延迟的应用体验不好；因为request/response的交互方式，对网络带宽和服务器带来了额外的负担（例如多次请求的HTTP头部， TCP连接复用会导致的Head-of-Line Blocking线头阻塞[2]等）。如果在单一的TCP连接中，使用双向通信（全双工通信）就能很好的解决此问题。这就是WebSocket技术的缘由。

2.WebSocket技术及协议

WebSocket技术的优点有：1）通过第一次HTTP Request建立了连接之后，后续的数据交换都不用再重新发送HTTP Request，节省了带宽资源； 2) WebSocket的连接是双向通信的连接，在同一个TCP连接上，既可以发送，也可以接收; 3)具有多路复用的功能(multiplexing)，也即几个不同的URI可以复用同一个WebSocket连接。这些特点非常类似TCP连接，但是因为它借用了HTTP协议的一些概念，所以被称为了WebSocket。

2.1 WebSocket API

WebSocket API[3], 也称为WebSocket接口(Interface)，定义了Web应用和服务器进行双向通信的公共接口。 如下图所示：

图 21 WebSocket API

接口的内容可以分为三类：状态变量、网络功能和消息处理等。

  1. 构造函数WebSocket(url, protocols)：构造WebSocket对象，以及建立和服务器连接; protocols可选字段，代表选择的子协议
  2. 状态变量readyState: 代表当前连接的状态，短整型数据，取值为CONNECTING(值为0)， OPEN(值为1), CLOSING(值为2), CLOSED(值为3)
  3. 方法变量close(code, reason)： 关闭此WebSocket连接。
  4. 状态变量bufferedAmount: send函数调用后，被缓存并且未发送到网络上的数据长度
  5. 方法变量send(data): 将数据data通过此WebSocket发送到对端
  6. 回调函数onopen/onmessage/onerror/onclose: 当相应的事件发生时会触发此回调函数

    2.1.1 示例

客户端使用例子(JavaScript)：

var websocket = new WebSocket(“ws://www.host.com/path”);

websocket.onopen = function(evt) { onOpen(evt) };

websocket.onclose = function(evt) { onClose(evt) };

websocket.onmessage = function(evt) { onMessage(evt) };

websocket.onerror = function(evt) { onError(evt) }; }

function onMessage(evt) { alert( evt.data); }

function onError(evt) { alert( evt.data); }

websocket.send(“client to server”);

2.2 WebSocket协议

WebSocket看成是一种类似TCP/IP的socket技术；此socket在Web应用中实现，并获得了和TCP/IP通信一样灵活方便的全双向通信功能。

WebSocket协议由RFC 6455定义。协议分为两个部分： 握手阶段和数据通信阶段。

WebSocket为应用层协议，其定义在TCP/IP协议栈之上。WebSocket连接服务器的URI以“ws”或者“wss”开头。ws开头的默认TCP端口为80，wss开头的默认端口为443。

2.2.1 握手阶段

客户端和服务器建立TCP连接之后，客户端发送握手请求，随后服务器发送握手响应即完成握手阶段。如下图所示：

图 22 Handshake

  • 客户端握手请求类似如下：

  • 服务器的握手响应类似如下：

需要关闭连接时，任意一方直接发送类型为关闭帧(Close frame)的控制帧数据给对方即可。

2.2.2 数据通信

WebSocket的数据在发送时，被组织为依次序的一串数据帧(data frame)，然后进行传送。

传送的帧类型分为两类：数据帧(data frame)和控制帧(Control frame)。数据帧可以携带文本数据或者二进制数据；控制帧包含关闭帧(Close frame)和Ping/Pong帧。

帧的格式如下所示：

其中最重要的字段为opcode(4bit)和MASK(1bit)：

  • MASK值，从客户端进行发送的帧必须置此位为1，从服务器发送的帧必须置为0。如果任何一方收到的帧不符合此要求，则发送关闭帧(Close frame)关闭连接。
  • opcode的值： 0x1代表此帧为文本数据帧, 0x2代表此帧为二进制数据帧, 0x8为控制帧中的连接关闭帧(close frame), 0x9为控制帧中的Ping帧, 0xA(十进制的10)为控制帧中的Pong帧。
  • Ping/Pong帧： Ping帧和Pong帧用于连接的保活(keepalive)或者诊断对端是否在线。这两种帧的发送和接收不对WEB应用公开接口，由实现WebSocket协议的底层应用(例如浏览器)来实现它。

    2.2.3 连接关闭

任何一端发送关闭帧给对方，即可关闭连接。关闭连接时通常都带有关闭连接的状态码(status code)。常见状态码的含义如下：

  • 1000 连接正常关闭
  • 1001 端点离线，例如服务器down，或者浏览器已经离开此页面
  • 1002 端点因为协议错误而中断连接
  • 1003 端点因为受到不能接受的数据类型而中断连接
  • 1004 保留
  • 1005 保留, 用于提示应用未收到连接关闭的状态码
  • 1006 端点异常关闭
  • 1007 端点收到的数据帧类型不一致而导致连接关闭
  • 1008 数据违例而关闭连接
  • 1009 收到的消息数据太大而关闭连接
  • 1010 客户端因为服务器未协商扩展而关闭
  • 1011 服务器因为遭遇异常而关闭连接
  • 1015 TLS握手失败关闭连接

    3. WebSocket示例

这里以JAVA+Eclipse+TOMCAT+JDK8+浏览器，做为例子。具体代码见github链接: https://github.com/siwind/HelloWebJava

以回声服务器为例，打开Eclipse，新建Web — Dynamic Web Project项目，项目名称”HelloWebJava”

3.1 WebSocket服务端

在项目中新建java类，采用注解的方式，实现OnOpen/OnClose/OnMessage回调方法即可。代码如下：

import java.io.IOException;

import javax.websocket.*;

import javax.websocket.server.ServerEndpoint;

@ServerEndpoint(“/WSHello”)

public
class HelloEndPoint {


@OnOpen
public
void onOpen(Session session){

System.out.println(“Session “ + session.getId() + ” has opened a connection”);


try {


session.getBasicRemote().sendText(“Connection Established”);

} catch (IOException ex) {


ex.printStackTrace();

}

}


@OnMessage
public
void onMessage(String message, Session session){

System.out.println(“Message from “ + session.getId() + “: “ + message);


try {


session.getBasicRemote().sendText(message);

} catch (IOException ex) {


ex.printStackTrace();

}

}


@OnClose
public
void onClose(Session session){

System.out.println(“Session “ +session.getId()+” has closed!”);

}

}

3.2 WebSocket浏览器客户端

在项目的WebContent目录下面，新建名称为index.htm的文件，内容如下(部分):

webSocket = new WebSocket(wsUri);

webSocket.onopen = function(event){


if(event.data === undefined)
return;

writeResponse(event.data);

};

webSocket.onmessage = function(event){

writeResponse(event.data);

};

webSocket.onerror = function(event){

writeResponse(“<span style=’color: red;’>ERROR: </span>Connection error! “ + event.data);

};

webSocket.onclose = function(event){

writeResponse(“<span style=’color: blue;’>INFO: </span>Connection closed. code=” + event.code);

};

}

3.3 部署及运行

在JDK8环境下，部署到Tomcat8.0.x/Tomcat8.5.x/Wildfly10.x/Glassfish4.x，正常运行。如下图所示：

图 31 WebSocket Echo Example

4. 结论

WebSocket和传统的HTTP交互方式的区别如下图：

图 41 交互方式比较

WebSocket的结论如下：

  • 基于TCP/IP协议实现
  • 是一种全双向的通信, 具有底层socket的特点
  • 节约带宽，节省服务器资源
  • 是HTML5的技术之一，具有巨大的应用前景

参考文献

[1] Dan Kegel. The C10K problem[EB/OL]. http://www.kegel.com/c10k.html.

[2] Head-of-line blocking[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Head-of-line_blocking.

[3] W3C Candidate Recommendation 20 September 2012. The WebSocket API[EB/OL]. https://www.w3.org/TR/websockets/.

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