Socket与Websocket初识

Socket与Websocket初识

引子

我们知道，在网络中的两个应用程序（进程）需要全双工相互通信（全双工即双方可同时向对方发送消息），需要用到的就是socket，它能够提供端对端通信，对于程序员来讲，他只需要在某个应用程序的一端（暂且称之为客户端）创建一个socket实例并且提供它所要连接一端（暂且称之为服务端）的IP地址和端口，而另外一端（服务端）创建另一个socket并绑定本地端口进行监听，然后客户端进行连接服务端，服务端接受连接之后双方建立了一个端对端的TCP连接，在该连接上就可以双向通讯了，而且一旦建立这个连接之后，通信双方就没有客户端服务端之分了，提供的就是端对端通信了。我们可以采取这种方式构建一个桌面版的im程序，让不同主机上的用户发送消息。从本质上来说，socket并不是一个新的协议，它只是为了便于程序员进行网络编程而对tcp/ip协议族通信机制的一种封装

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。可以看到，websocket并不是简单地将socket这一概念在浏览器环境中的移植

Socket

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

其实站在你的角度上看，socket就是一个模块。我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的连接和通信。
也有人将socket说成ip+port，因为ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序。
所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序，并且使用socket模块来与之通信。

Socket发展史

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。

基于文件类型的socket家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

基于网络类型的socket家族

套接字家族的名字：AF_INET

还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET

websocket

通信原理和机制

首先Websocket是基于HTTP协议的，或者说借用了HTTP的协议来完成一部分握手。
在握手阶段是一样的

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首先我们来看个典型的Websocket握手

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

熟悉HTTP的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。我会顺便讲解下作用。

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉Apache、Nginx等服务器：注意啦，窝发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

首先，Sec-WebSocket-Key 是一个Base64 encode的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：泥煤，不要忽悠窝，我要验证尼是不是真的是Websocket助理。
然后，Sec_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：今晚我要服务A，别搞错啦~
最后，Sec-WebSocket-Version 是告诉服务器所使用的Websocket Draft（协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 Draft 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。。不过现在还好，已经定下来

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然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求， 成功建立Websocket啦！

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是Websocket协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket
然后，Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key。服务器：好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。。后面的，Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。

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协议握手需要借助于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

至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。具体的协议就不在这阐述了。

基于以上分析，我们可以看到，websocket能够提供低延迟，高性能的客户端与服务端的双向数据通信。它颠覆了之前web开发的请求处理响应模式，并且提供了一种真正意义上的客户端请求，服务器推送数据的模式，特别适合实时数据交互应用开发。

Websocket作用

那到底Websocket有什么鬼用，http long poll，或者ajax轮询不都可以实现实时信息传递么？

在讲Websocket之前，我就顺带着讲下 long poll 和 ajax轮询 的原理。

ajax轮询 ：ajax轮询 的原理非常简单，让浏览器隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。

场景再现：

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：没有（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：没有。。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：你好烦啊，没有啊。。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）

服务端：好啦好啦，有啦给你。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）

服务端：。。。。。没。。。。没。。。没有（Response） ---- loop

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long poll ：
long poll 其实原理跟 ajax轮询 差不多，都是采用轮询的方式，不过采取的是阻塞模型，也就是说，客户端发起连接后，如果没消息，服务端就一直不返回Response给客户端。直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接，周而复始。
场景再现
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request）
服务端：额。。 等待到有消息的时候。。来 给你（Response）
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request） -loop

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从上面可以看出其实这两种方式，都是在不断地建立HTTP连接，然后等待服务端处理，可以体现HTTP协议的另外一个特点，被动性。
何为被动性呢，其实就是，服务端不能主动联系客户端，只能有客户端发起。
简单地说就是，服务器是一个很懒的冰箱（不会、不能主动发起连接），但是上司有命令，如果有客户来，不管多么累都要好好接待。

说完这个，我们再来说一说上面的缺陷
从上面很容易看出来，不管怎么样，上面这两种都是非常消耗资源的。
ajax轮询 需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）
long poll 需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）

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言归正传，我们来说Websocket吧
通过上面这个例子，我们可以看出，这两种方式都不是最好的方式，需要很多资源。一种需要更快的速度，一种需要更多的'电话'。这两种都会导致'电话'的需求越来越高。
HTTP还是一个无状态协议。通俗的说就是，服务器因为每天要接待太多客户了，是个健忘鬼，你一挂电话，他就把你的东西全忘光了，把你的东西全丢掉了。你第二次还得再告诉服务器一遍。

所以在这种情况下出现了，Websocket出现了。
他解决了HTTP的这几个难题。
首先，被动性，当服务器完成协议升级后（HTTP->Websocket），服务端就可以主动推送信息给客户端啦。
所以上面的情景可以做如下修改。
客户端：啦啦啦，我要建立Websocket协议，需要的服务：chat，Websocket协议版本：17（HTTP Request）
服务端：ok，确认，已升级为Websocket协议（HTTP Protocols Switched）
客户端：麻烦你有信息的时候推送给我噢。。
服务端：ok，有的时候会告诉你的。
服务端：balabalabalabala
服务端：balabalabalabala
服务端：哈哈哈哈哈啊哈哈哈哈
服务端：笑死我了哈哈哈哈哈哈哈

就变成了这样，只需要经过一次HTTP请求，就可以做到源源不断的信息传送了。（在程序设计中，这种设计叫做回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你）
这样的协议解决了上面同步有延迟，而且还非常消耗资源的这种情况。

那么为什么他会解决服务器上消耗资源的问题呢？
其实我们所用的程序是要经过两层代理的，即HTTP协议在Nginx等服务器的解析下，然后再传送给相应的Handler（PHP等）来处理。
简单地说，我们有一个非常快速的接线员（Nginx），他负责把问题转交给相应的客服（Handler）。
本身接线员基本上速度是足够的，但是每次都卡在客服（Handler）了，老有客服处理速度太慢。，导致客服不够。
Websocket就解决了这样一个难题，建立后，可以直接跟接线员建立持久连接，有信息的时候客服想办法通知接线员，然后接线员在统一转交给客户。
这样就可以解决客服处理速度过慢的问题了。

同时，在传统的方式上，要不断的建立，关闭HTTP协议，由于HTTP是非状态性的，每次都要重新传输identity info（鉴别信息），来告诉服务端你是谁。虽然接线员很快速，但是每次都要听这么一堆，效率也会有所下降的，同时还得不断把这些信息转交给客服，不但浪费客服的处理时间，而且还会在网路传输中消耗过多的流量/时间。

但是Websocket只需要一次HTTP握手，所以说整个通讯过程是建立在一次连接/状态中，也就避免了HTTP的非状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了接线员要反复解析HTTP协议，还要查看identity info的信息。同时由客户主动询问，转换为服务器（推送）有信息的时候就发送（当然客户端还是等主动发送信息过来的。。），没有信息的时候就交给接线员（Nginx），不需要占用本身速度就慢的客服（Handler）了

至于怎么在不支持Websocket的客户端上使用Websocket。。答案是：不能

但是可以通过上面说的 long poll 和 ajax 轮询来 模拟出类似的效果

Websocket应用例子

通过一个简单的聊天应用来再次加深下对websocket的理解。

该应用需求很简单，就是在web选项卡中打开两个网页，模拟两个web客户端实现聊天功能。

首先是客户端如下：

client.html

<!DOCTYPE html>
<html>
<head lang="en">
    <meta charset="UTF-8">
    <title></title>
    <style>
        *{
            margin: 0;
            padding: 0;
        }
        .message{
            width: 60%;
            margin: 0 10px;
            display: inline-block;
            text-align: center;
            height: 40px;
            line-height: 40px;
            font-size: 20px;
            border-radius: 5px;
            border: 1px solid #B3D33F;
        }
        .form{
            width:100%;
            position: fixed;
            bottom: 300px;
            left: 0;
        }
        .connect{
            height: 40px;
            vertical-align: top;
            /* padding: 0; */
            width: 80px;
            font-size: 20px;
            border-radius: 5px;
            border: none;
            background: #B3D33F;
            color: #fff;
        }
    </style>
</head>
<body>
<ul id="content"></ul>
<form class="form">
<input type="text" placeholder="请输入发送的消息" class="message" id="message"/>
<input type="button" value="发送" id="send" class="connect"/>
<input type="button" value="连接" id="connect" class="connect"/>
</form>
<script></script>
</body>
</html>

客户端js代码

var oUl=document.getElementById('content');
    var oConnect=document.getElementById('connect');
    var oSend=document.getElementById('send');
    var oInput=document.getElementById('message');
    var ws=null;
    oConnect.onclick=function(){
        ws=new WebSocket('ws://localhost:5000');
         ws.onopen=function(){
             oUl.innerHTML+="<li>客户端已连接</li>";
         }
        ws.onmessage=function(evt){
            oUl.innerHTML+="<li>"+evt.data+"</li>";
        }
        ws.onclose=function(){
            oUl.innerHTML+="<li>客户端已断开连接</li>";
        };
        ws.onerror=function(evt){
            oUl.innerHTML+="<li>"+evt.data+"</li>";

        };
    };
    oSend.onclick=function(){
        if(ws){
            ws.send(oInput.value);
        }
    }

这里使用的是w3c规范中关于HTML5 websocket API的原生API，这些api很简单，就是利用new WebSocket创建一个指定连接服务端地址的ws实例，然后为该实例注册onopen(连接服务端),onmessage(接受服务端数据)，onclose(关闭连接)以及ws.send(建立连接后)发送请求。上面说了那么多，事实上可以看到html5 websocket API本身是很简单的一个对象和它的几个方法而已。

服务端采用nodejs，这里需要基于一个nodejs-websocket的nodejs服务端的库，它是一个轻量级的nodejs websocket server端的实现，实际上也是使用nodejs提供的net模块写成的。

server.js

var app=require('http').createServer(handler);
var ws=require('nodejs-websocket');
var fs=require('fs');
app.listen(80);
function handler(req,res){
    fs.readFile(__dirname+'/client.html',function(err,data){
        if(err){
            res.writeHead(500);
            return res.end('error ');
        }
        res.writeHead(200);
        res.end(data);
    });
}
var server=ws.createServer(function(conn){
    console.log('new conneciton');
    conn.on("text",function(str){
        broadcast(server,str);
    });
    conn.on("close",function(code,reason){
        console.log('connection closed');
    })
}).listen(5000);

function broadcast(server, msg) {
    server.connections.forEach(function (conn) {
        conn.sendText(msg);
    })
}

首先利用http模块监听用户的http请求并显示client.html界面，然后创建一个websocket服务端等待用户连接，在接收到用户发送来的数据之后将它广播到所有连接到的客户端。

下面我们打开两个浏览器选项卡模拟两个客户端进行连接

客户端一连接：

可以看到这次握手和我们之前讲的如出一辙，

客户端二的连接过程和1是一样的，这里为了查看我们使用ff浏览器，两个客户端的连接情况如下：

发送消息情况如下：

可以看到，双方发送的消息被服务端广播给了每个和自己连接的客户端。

从以上我们可以看到，要想做一个点对点的im应用，websocket采取的方式是让所有客户端连接服务端，服务器将不同客户端发送给自己的消息进行转发或者广播，而对于原始的socket，只要两端建立连接之后，就可以发送端对端的数据，不需要经过第三方的转发，这也是websocket不同于socket的一个重要特点。

最后，本文为了说明html5规范中的websocket在客户端采用了原生的API，实际开发中，有比较著名的两个库socket.io和sockjs,它们都对原始的API做了进一步封装，提供了更多功能，都分为客户端和服务端的实现，实际应用中，可以选择使用。