使用 HTML5 WebSocket 构建实时 Web 应用

作为下一代的 Web 标准,HTML5 拥有许多引人注目的新特性,如 Canvas、本地存储、多媒体编程接口、WebSocket 等等。这其中有“Web 的 TCP ”之称的 WebSocket 格外吸引开发人员的注意。WebSocket 的出现使得浏览器提供对 Socket 的支持成为可能,从而在浏览器和服务器之间提供了一个基于 TCP 连接的双向通道。Web 开发人员可以非常方便地使用 WebSocket 构建实时 web 应用,开发人员的手中从此又多了一柄神兵利器。本文首先介绍 HTML5 WebSocket 的基本概念以及这个规范试图解决的问题,然后介绍 WebSocket 的基本原理和编程接口。接下来会通过一个简单案例来示范怎样实现一个 WebSocket 应用,并且展示 WebSocket 如何在功能强大和编程简单易用上达到的完美统一。最后介绍了目前主流浏览器对 WebSocket 支持的状况、局限性以及未来的展望。

实时 Web 应用的窘境

Web 应用的信息交互过程通常是客户端通过浏览器发出一个请求,服务器端接收和审核完请求后进行处理并返回结果给客户端,然后客户端浏览器将信息呈现出来,这种机制对于信息变化不是特别频繁的应用尚能相安无事,但是对于那些实时要求比较高的应用来说,比如说在线游戏、在线证券、设备监控、新闻在线播报、RSS 订阅推送等等,当客户端浏览器准备呈现这些信息的时候,这些信息在服务器端可能已经过时了。所以保持客户端和服务器端的信息同步是实时 Web 应用的关键要素,对 Web 开发人员来说也是一个难题。在 WebSocket 规范出来之前,开发人员想实现这些实时的 Web 应用,不得不采用一些折衷的方案,其中最常用的就是轮询 (Polling) 和 Comet 技术,而 Comet 技术实际上是轮询技术的改进,又可细分为两种实现方式,一种是长轮询机制,一种称为流技术。下面我们简单介绍一下这几种技术:

轮询:

这是最早的一种实现实时 Web 应用的方案。客户端以一定的时间间隔向服务端发出请求,以频繁请求的方式来保持客户端和服务器端的同步。这种同步方案的最大问题是,当客户端以固定频率向服务器发起请求的时候,服务器端的数据可能并没有更新,这样会带来很多无谓的网络传输,所以这是一种非常低效的实时方案。

长轮询:

长轮询是对定时轮询的改进和提高,目地是为了降低无效的网络传输。当服务器端没有数据更新的时候,连接会保持一段时间周期直到数据或状态改变或者时间过期,通过这种机制来减少无效的客户端和服务器间的交互。当然,如果服务端的数据变更非常频繁的话,这种机制和定时轮询比较起来没有本质上的性能的提高。

流:

流技术方案通常就是在客户端的页面使用一个隐藏的窗口向服务端发出一个长连接的请求。服务器端接到这个请求后作出回应并不断更新连接状态以保证客户端和服务器端的连接不过期。通过这种机制可以将服务器端的信息源源不断地推向客户端。这种机制在用户体验上有一点问题,需要针对不同的浏览器设计不同的方案来改进用户体验,同时这种机制在并发比较大的情况下,对服务器端的资源是一个极大的考验。

综合这几种方案,您会发现这些目前我们所使用的所谓的实时技术并不是真正的实时技术,它们只是在用 Ajax 方式来模拟实时的效果,在每次客户端和服务器端交互的时候都是一次 HTTP 的请求和应答的过程,而每一次的 HTTP 请求和应答都带有完整的 HTTP 头信息,这就增加了每次传输的数据量,而且这些方案中客户端和服务器端的编程实现都比较复杂,在实际的应用中,为了模拟比较真实的实时效果,开发人员往往需要构造两个 HTTP 连接来模拟客户端和服务器之间的双向通讯,一个连接用来处理客户端到服务器端的数据传输,一个连接用来处理服务器端到客户端的数据传输,这不可避免地增加了编程实现的复杂度,也增加了服务器端的负载,制约了应用系统的扩展性。

WebSocket 的拯救

HTML5 WebSocket 设计出来的目的就是要取代轮询和 Comet 技术,使客户端浏览器具备像 C/S 架构下桌面系统的实时通讯能力。 浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求,连接建立以后,客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。因为 WebSocket 连接本质上就是一个 TCP 连接,所以在数据传输的稳定性和数据传输量的大小方面,和轮询以及 Comet 技术比较,具有很大的性能优势。Websocket.org 网站对传统的轮询方式和 WebSocket 调用方式作了一个详细的测试和比较,将一个简单的 Web 应用分别用轮询方式和 WebSocket 方式来实现,在这里引用一下他们的测试结果图:

图 1. 轮询和 WebSocket 实现方式的网络负载对比图

通过这张图可以清楚的看出,在流量和负载增大的情况下,WebSocket 方案相比传统的 Ajax 轮询方案有极大的性能优势。这也是为什么我们认为 WebSocket 是未来实时 Web 应用的首选方案的原因。

WebSocket 规范

WebSocket 协议本质上是一个基于 TCP 的协议。为了建立一个 WebSocket 连接,客户端浏览器首先要向服务器发起一个 HTTP 请求,这个请求和通常的 HTTP 请求不同,包含了一些附加头信息,其中附加头信息”Upgrade: WebSocket”表明这是一个申请协议升级的 HTTP 请求,服务器端解析这些附加的头信息然后产生应答信息返回给客户端,客户端和服务器端的 WebSocket 连接就建立起来了,双方就可以通过这个连接通道自由的传递信息,并且这个连接会持续存在直到客户端或者服务器端的某一方主动的关闭连接。

下面我们来详细介绍一下 WebSocket 规范,由于这个规范目前还是处于草案阶段,版本的变化比较快,我们选择 draft-hixie-thewebsocketprotocol-76版本来描述 WebSocket 协议。因为这个版本目前在一些主流的浏览器上比如 Chrome,、FireFox、Opera 上都得到比较好的支持,您如果参照的是新一些的版本话,内容可能会略有差别。 一个典型的 WebSocket 发起请求和得到响应的例子看起来如下:

清单 1. WebSocket 握手协议

客户端到服务端: GET /demo HTTP/1.1 Host: example.com Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Key2: 12998 5 Y3 1 .P00 Upgrade: WebSocket Sec-WebSocket-Key1: 4@1 46546xW%0l 1 5 Origin: http://example.com [8-byte security key]

服务端到客户端: HTTP/1.1 101 WebSocket Protocol Handshake Upgrade: WebSocket Connection: Upgrade WebSocket-Origin: http://example.com WebSocket-Location: ws://example.com/demo [16-byte hash response]

这些请求和通常的 HTTP 请求很相似,但是其中有些内容是和 WebSocket 协议密切相关的。我们需要简单介绍一下这些请求和应答信息,”Upgrade:WebSocket”表示这是一个特殊的 HTTP 请求,请求的目的就是要将客户端和服务器端的通讯协议从 HTTP 协议升级到 WebSocket 协议。从客户端到服务器端请求的信息里包含有”Sec-WebSocket-Key1”、“Sec-WebSocket-Key2”和”[8-byte securitykey]”这样的头信息。这是客户端浏览器需要向服务器端提供的握手信息,服务器端解析这些头信息,并在握手的过程中依据这些信息生成一个 16 位的安全密钥并返回给客户端,以表明服务器端获取了客户端的请求,同意创建 WebSocket 连接。一旦连接建立,客户端和服务器端就可以通过这个通道双向传输数据了。

在实际的开发过程中,为了使用 WebSocket 接口构建 Web 应用,我们首先需要构建一个实现了 WebSocket 规范的服务器,服务器端的实现不受平台和开发语言的限制,只需要遵从 WebSocket 规范即可,目前已经出现了一些比较成熟的 WebSocket 服务器端实现,比如:

  • Kaazing WebSocket Gateway — 一个 Java 实现的 WebSocket Server

  • mod_pywebsocket — 一个 Python 实现的 WebSocket Server

  • Netty —一个 Java 实现的网络框架其中包括了对 WebSocket 的支持

  • node.js —一个 Server 端的 JavaScript 框架提供了对 WebSocket 的支持

如果以上的 WebSocket 服务端实现还不能满足您的业务需求的话,开发人员完全可以根据 WebSocket 规范自己实现一个服务器。在“WebSocket 实战”这一节,我们将使用 Microsoft .NET 平台上的 C# 语言来打造一个简单的 WebSocket 服务器,继而构建一个简单的实时聊天系统。

WebSocket JavaScript 接口

上一节介绍了 WebSocket 规范,其中主要介绍了 WebSocket 的握手协议。握手协议通常是我们在构建 WebSocket 服务器端的实现和提供浏览器的 WebSocket 支持时需要考虑的问题,而针对 Web 开发人员的 WebSocket JavaScript 客户端接口是非常简单的,以下是 WebSocket JavaScript 接口的定义:

清单 2. WebSocket JavaScript 定义

[Constructor(in DOMString url, in optional DOMString protocol)] interface WebSocket { readonly attribute DOMString URL; // ready state const unsigned short CONNECTING = 0; const unsigned short OPEN = 1; const unsigned short CLOSED = 2; readonly attribute unsigned short readyState; readonly attribute unsigned long bufferedAmount; //networking attribute Function onopen; attribute Function onmessage; attribute Function onclose; boolean send(in DOMString data); void close(); }; WebSocket implements EventTarget;

其中 URL 属性代表 WebSocket 服务器的网络地址,协议通常是”ws”,send 方法就是发送数据到服务器端,close 方法就是关闭连接。除了这些方法,还有一些很重要的事件:onopen,onmessage,onerror 以及 onclose。我们借用 Nettuts 网站上的一张图来形象的展示一下 WebSocket 接口:

图 2. WebSocket JavaScript 接口

下面是一段简单的 JavaScript 代码展示了怎样建立 WebSocket 连接和获取数据:

清单 3. 建立 WebSocket 连接的实例 JavaScript 代码

var wsServer = 'ws://localhost:8888/Demo'; var websocket = new WebSocket(wsServer); 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 onOpen(evt) { console.log("Connected to WebSocket server."); } function onClose(evt) { console.log("Disconnected"); } function onMessage(evt) { console.log('Retrieved data from server: ' + evt.data); } function onError(evt) { console.log('Error occured: ' + evt.data); }

浏览器支持

下面是主流浏览器对 HTML5 WebSocket 的支持情况:

浏览器 支持情况 Chrome Supported in version 4+ Firefox Supported in version 4+ Internet Explorer Supported in version 10+ Opera Supported in version 10+ Safari Supported in version 5+

WebSocket 的局限性

WebSocket 的优点已经列举得很多了,但是作为一个正在演变中的 Web 规范,我们也要看到目前用 Websocket 构建应用程序的一些风险。首先,WebSocket 规范目前还处于草案阶段,也就是它的规范和 API 还是有变动的可能,另外的一个风险就是微软的 IE 作为占市场份额最大的浏览器,和其他的主流浏览器相比,对 HTML5 的支持是比较差的,这是我们在构建企业级的 Web 应用的时候必须要考虑的一个问题。

总结

本文介绍了 HTML5 WebSocket 的横空出世以及它尝试解决的的问题,然后介绍了 WebSocket 规范和 WebSocket 接口,以及和传统的实时技术相比在性能上的优势,并且演示了怎样使用 WebSocket 构建一个实时的 Web 应用,最后我们介绍了当前的主流浏览器对 HTML5 的支持情况和 WebSocket 的局限性。不过,我们应该看到,尽管 HTML5 WebSocket 目前还有一些局限性,但是已经是大势所趋,微软也明确表达了未来对 HTML5 的支持,而且这些支持我们可以在 Windows 8 和 IE10 里看到,我们也在各种移动设备,平板电脑上看到了 HTML5 和 WebSocket 的身影。WebSocket 将会成为未来开发实时 Web 应用的生力军应该是毫无悬念的了,作为 Web 开发人员,关注 HTML5,关注 WebSocket 也应该提上日程了,否则我们在新一轮的软件革新的浪潮中只能做壁上观了。


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