_web_ 端即时通讯技术盘点

红太狼 2022-04-14 06:42 356阅读 0赞

## Ajax短轮询：脚本发送的http请求 ##

传统的web应用要想与服务器交互，必须提交一个表单（form），服务器接收并处理传来的表单，然后返回全新的页面，因为前后两个页面的数据大部分都是相同的，这个过程传输了很多冗余的数据、浪费了带宽。于是Ajax技术便应运而生。  
Ajax是Asynchronous JavaScript and XML的简称，由Jesse James Garrett 首先提出。这种技术开创性地允许浏览器脚本（JS）发送http请求。Outlook Web Access小组于98年使用，并很快成为IE4.0的一部分，但是这个技术一直很小众，直到2005年初，google在他的goole groups、gmail等交互式应用中广泛使用此种技术，才使得Ajax迅速被大家所接受。  
Ajax的出现使客户端与服务器端传输数据少了很多，也快了很多，也满足了以丰富用户体验为特点的web2.0时代 初期发展的需要，但是慢慢地也暴露了他的弊端。比如无法满足即时通信等富交互式应用的实时更新数据的要求。这种浏览器端的小技术毕竟还是基于http协议，http协议要求的请求/响应的模式也是无法改变的，除非http协议本身有所改变。

### Comet：一种hack技术 ###

以即时通信为代表的web应用程序对数据的Low Latency要求，传统的基于轮询的方式已经无法满足，而且也会带来不好的用户体验。于是一种基于http长连接的“服务器推”技术便被hack出来。这种技术被命名为Comet，这个术语由Dojo Toolkit 的项目主管Alex Russell在博文Comet: Low Latency Data for the Browser首次提出，并沿用下来。  
其实，服务器推很早就存在了，在经典的client/server模型中有广泛使用，只是浏览器太懒了，并没有对这种技术提供很好的支持。但是Ajax的出现使这种技术在浏览器上实现成为可能， google的gmail和gtalk的整合首先使用了这种技术。随着一些关键问题的解决（比如 IE 的加载显示问题），很快这种技术得到了认可，目前已经有很多成熟的开源Comet框架。  
以下是典型的Ajax和Comet数据传输方式的对比，区别简单明了。典型的Ajax通信方式也是http协议的经典使用方式，要想取得数据，必须首先发送请求。在Low Latency要求比较高的web应用中，只能增加服务器请求的频率。Comet则不同，客户端与服务器端保持一个长连接，只有客户端需要的数据更新时，服务器才主动将数据推送给客户端。  
Comet的实现主要有两种方式，基于Ajax的长轮询（long-polling）方式和基于 Iframe 及 htmlfile 的流（http streaming）方式。

1.  基于Ajax的长轮询（long-polling）方式  
    浏览器发出XMLHttpRequest 请求，服务器端接收到请求后，会阻塞请求直到有数据或者超时才返回，浏览器JS在处理请求返回信息（超时或有效数据）后再次发出请求，重新建立连接。在此期间服务器端可能已经有新的数据到达，服务器会选择把数据保存，直到重新建立连接，浏览器会把所有数据一次性取回。
2.  基于 Iframe 及 htmlfile 的流（http streaming）方式  
    Iframe是html标记，这个标记的src属性会保持对指定服务器的长连接请求，服务器端则可以不停地返回数据，相对于第一种方式，这种方式跟传统的服务器推则更接近。  
    在第一种方式中，浏览器在收到数据后会直接调用JS回调函数，但是这种方式该如何响应数据呢？可以通过在返回数据中嵌入JS脚本的方式，如 `<script type="text/javascript">js_func(“data from server ”)</script>`，服务器端将返回的数据作为回调函数的参数，浏览器在收到数据后就会执行这段JS脚本。  
    但是这种方式有一个明显的不足之处：IE、Morzilla Firefox 下端的进度栏都会显示加载没有完成，而且 IE 上方的图标会不停的转动，表示加载正在进行。Google 的天才们使用一个称为“htmlfile”的 ActiveX 解决了在 IE 中的加载显示问题，并将这种方法应用到了 gmail+gtalk 产品中。

### Websocket：未来的解决方案1 ###

如果说Ajax的出现是互联网发展的必然，那么Comet技术的出现则更多透露出一种无奈，仅仅作为一种hack技术，因为没有更好的解决方案。Comet解决的问题应该由谁来解决才是合理的呢？浏览器，html标准，还是http标准？主角应该是谁呢？本质上讲，这涉及到数据传输方式，http协议应首当其冲，是时候改变一下这个懒惰的协议的请求/响应模式了。  
W3C给出了答案，在新一代html标准html5中提供了一种浏览器和服务器间进行全双工通讯的网络技术Websocket。从Websocket草案得知，Websocket是一个全新的、独立的协议，基于TCP协议，与http协议兼容、却不会融入http协议，仅仅作为html5的一部分。于是乎脚本又被赋予了另一种能力：发起websocket请求。这种方式我们应该很熟悉，因为Ajax就是这么做的，所不同的是，Ajax发起的是http请求而已。  
与http协议不同的请求/响应模式不同，Websocket在建立连接之前有一个Handshake（Opening Handshake）过程，在关闭连接前也有一个Handshake（Closing Handshake）过程，建立连接之后，双方即可双向通信。  
有关WebSocket的详细介，请参见即时通讯网有关WebSocket的系列文章：《WebSocket详解（一）：初步认识WebSocket技术》、《WebSocket详解（二）：技术原理、代码演示和应用案例》、《WebSocket详解（三）：深入WebSocket通信协议细节》。  
从浏览器支持角度来看，WebSocket已经近在眼前，但仍有一段较长的路要走，特别是在中国这个IE6、7、8依然盛行的国家，旧版本浏览器的消亡需要很长一段时间，在完全实现浏览器全兼容前，Comet技术可能仍然是最好的解决方案。不过，当前也已存在一些比较成熟的封装方案来解决这种兼容性限制，比如：开源的Socket.io，详见《Socket.IO介绍：支持WebSocket、用于WEB端的即时通讯的框架》。

### SSE：未来的解决方案2 ###

SSE（Server-Sent Event，服务端推送事件）是一种允许服务端向客户端推送新数据的HTML5技术。与由客户端每隔几秒从服务端轮询拉取新数据相比，这是一种更优的解决方案。  
与WebSocket相比，它也能从服务端向客户端推送数据。那如何决定你是用SSE还是WebSocket呢？概括来说，WebSocket能做的，SSE也能做，反之亦然，但在完成某些任务方面，它们各有千秋。  
WebSocket是一种更为复杂的服务端实现技术，但它是真正的双向传输技术，既能从服务端向客户端推送数据，也能从客户端向服务端推送数据。  
WebSocket和SSE的浏览器支持率差不多，大多数主流桌面浏览器两者都支持。在Android 4.3以及更早的版本中，系统默认浏览器两者都不支持，Firefox和Chrome则完全支持；Android 4.4中，系统默认浏览器两者都支持；Safari从5.0开始支持SSE（iOS系统从4.0开始），但直到6.0才正确地支持WebSocket（6.0之前的Safari所实现的WebSocket协议存在安全问题，所以一些主流浏览器已经禁用了基于这个协议的实现）。  
与WebSocket相比，SSE有一些显著的优势。个人认为它最大的优势就是便利：不需要添加任何新组件，用任何你习惯的后端语言和框架就能继续使用。你不用为新建虚拟机、弄一个新的IP或新的端口号而劳神，就像在现有网站中新增一个页面那样简单。我喜欢把这称为既存基础设施优势。  
SSE的第二个优势是服务端的简洁。相对而言，WebSocket则很复杂，不借助辅助类库基本搞不定（我试过，令人痛苦）。  
因为SSE能在现有的HTTP/HTTPS协议上运作，所以它能直接运行于现有的代理服务器和认证技术。而对WebSocket而言，代理服务器需要做一些开发（或其他工作）才能支持，在写这本书时，很多服务器还没有（虽然这种状况会改善）。SSE还有一个优势：它是一种文本协议，脚本调试非常容易。事实上，在本书中，我们会在开发和测试时用curl，甚至直接在命令行中运行后端脚本。  
不过，这就引出了WebSocket相较SSE的一个潜在优势：WebSocket是二进制协议，而SSE是文本协议（通常使用UTF-8编码）。当然，我们可以通过SSE连接传输二进制数据：在SSE中，只有两个具有特殊意义的字符，它们是CR和LF，而对它们进行转码并不难。但用SSE传输二进制数据时数据会变大，如果需要从服务端到客户端传输大量的二进制数据，最好还是用WebSocket。  
WebSocket相较SSE最大的优势在于它是双向交流的，这意味向服务端发送数据就像从服务端接收数据一样简单。用SSE时，一般通过一个独立的Ajax请求从客户端向服务端传送数据。相对于WebSocket，这样使用Ajax会增加开销，但也就多一点点而已。如此一来，问题就变成了“什么时候需要关心这个差异？”如果需要以1次/秒或者更快的频率向服务端传输数据，那应该用WebSocket。0.2次/秒到1次/秒的频率是一个灰色地带，用WebSocket和用SSE差别不大；但如果你期望重负载，那就有必要确定基准点。频率低于0.2次/秒左右时，两者差别不大。  
从服务端向客户端传输数据的性能如何？如果是文本数据而非二进制数据（如前文所提到的），SSE和WebSocket没什么区别。它们都用TCP/IP套接字，都是轻量级协议。延迟、带宽、服务器负载等都没有区别，除非……呃？除非什么？  
当你在享用SSE的既存基础设施优势，并在客户端和服务端脚本之间设了一个网络服务器，区别就显现出来了。一个SSE连接不仅使用一个套接字，还会占用一个Apache线程或进程，如果用PHP，它会为这个连接专门创建一个PHP新实例。Apache和PHP会使用大量的内存，这会限制服务器所能支持的并行连接数。所以，要做到用SSE在数据传输性能上和WebSocket完全一样，需要写一个自己的后端服务器，当然，那些在任何情况下都会用自己的服务器并使用Node.js的人，会觉得这有什么稀奇的。  
说一下WebSocket在旧版本浏览器上的兼容。当前，大约超过2/3的浏览器支持这些新技术，移动端浏览器的支持率会低一些。依惯例，每当需要双向套接字时，就会用到Flash，并且WebSocket的向后兼容通常是用Flash来做，这已经相当复杂了，如果浏览器上没有Flash，情况更糟。概括来说，WebSocket难兼容，SSE易兼容。

### WebSocket ###

websocket是html5规范中的一个部分，它借鉴了socket这种思想，为web应用程序客户端和服务端之间（注意是客户端服务端）提供了一种全双工通信机制。同时，它又是一种新的应用层协议，websocket协议是为了提供web应用程序和服务端全双工通信而专门制定的一种应用层协议，通常它表示为：ws://echo.websocket.org/?encoding=text HTTP/1.1，可以看到除了前面的协议名和http不同之外，它的表示地址就是传统的url地址。  
当客户端向服务端发送请求的时候,会发送如下报文:

这里是报文。

可以看到，这是一个http get请求报文，注意该报文中有一个upgrade首部，它的作用是告诉服务端需要将通信协议切换到websocket,如果服务端支持websocket协议，那么它就会将自己的通信协议切换到websocket,同时发给客户端类似于以下的一个响应报文头：

这里是报文

返回的状态码为101，表示同意客户端协议转换请求，并将它转换为websocket协议。以上过程都是利用http通信完成的，称之为websocket协议握手(websocket Protocol handshake)，进过这握手之后，客户端和服务端就建立了websocket连接，以后的通信走的都是websocket协议了。所以总结为websocket握手需要借助于http协议，建立连接后通信过程使用websocket协议。同时需要了解的是，该websocket连接还是基于我们刚才发起http连接的那个TCP连接。一旦建立连接之后，我们就可以进行数据传输了，websocket提供两种数据传输：文本数据和二进制数据。  
“Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,“HTTP/1.1 101 Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了。读者可以查阅WebSocket 协议栈了解 WebSocket 客户端和服务端更详细的交互数据格式。

### 最后 ###

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