Django Channels2.0

本文主要对Channels的理解，具体实现可参考官网文档.

Channels， Channels是针对 Django 项目的一个增强框架，它可以使同步的 Django 项目转变为异步的项目。它可以使得 Django 项目不仅支持 HTTP 请求，还可以支持 Websocket, chat协议，IOT协议 ，甚至是你自定义的协议，同时也整合了 Django 的 auth 以及 session 系統等等，工作中通常用来提供WebSocket支持和后台任务。

channels 各个模块之间的关系流程图#

整体架构图

(图片来源)

Channels将Django从传统的请求/响应模式，改为工作进程模式，“面向事件”，不仅仅响应请求，而是响应通道中发送的大量事件：监听所有分配了消费者的通道，收到消息就运行对应的消费者。现在，Django不只是在一个连接到WSGI服务器的进程中运行，而是在三个独立的层中运行。

  • Interface Server: 负责对协议进行解析，将不同协议分发到不同的Channel
  • Channel Layer: 频道层，可以是一个FIFO都列，支持信息过期，对于一个监听器至多投递一次, 通常使用Reids， 不同的频道有不同的监听者，类似于任务队列──信息由 producer 投递至 channel，并设置一个 consumer 监听该 channel.
  • Consumer: 消费者，接收和处理消息
  • BACKGROUND PROCESSES 可以理解为类似Celery的异步任务，监听所有相关的通道，并在消息就绪时运行消费者代码

Channels Concepts 实践可参考Django Channels2.0 websocket最佳实践

从问题出发看channels框架：

  • 如何分辨由HTTP请求和WebSocket发出的请求？
  • 如何兼容Django的认证系统？
  • 如何接受和推送WebSocket消息？
  • 如果通过ORM保存和获取数据？

1. 如何分辨由HTTP请求和WebSocket发出的请求？#

image.png

Interface Server: 负责协议的解析，根据协议的类型匹配对应的处理实例(Channel)，封装了一个ProtocoltypeRouter 类，进行路由分发，默认集成了Django的http - view 请求和认证系统。

Copy
class ProtocolTypeRouter:
    """
    Takes a mapping of protocol type names to other Application instances,
    and dispatches to the right one based on protocol name (or raises an error)
    """

    def __init__(self, application_mapping):
        self.application_mapping = application_mapping
        if "http" not in self.application_mapping:
            self.application_mapping["http"] = AsgiHandler

    def __call__(self, scope):
        if scope["type"] in self.application_mapping:
            return self.application_mapping[scope["type"]](scope)
        else:
            raise ValueError(
                "No application configured for scope type %r" % scope["type"]
            )

2. 如何兼容Django的认证系统？#

Copy
# channels.auth
# Handy shortcut for applying all three layers at once
AuthMiddlewareStack = lambda inner: CookieMiddleware(
    SessionMiddleware(AuthMiddleware(inner))
)

AuthMiddlewareStack用于WebSocket认证，集成了CookieMiddleware, SessionMiddleware, AuthMiddleware, 兼容Django认证系统

3. 如何接受和推送WebSocket消息？#

Consumers 用来开发符合ASGI接口规范的API, 类似Django默认的Views 是用来开发符合WSGI规范的的API

Copy
from channels.generic.websocket import AsyncWebsocketConsumer


class NotificationsConsumer(AsyncWebsocketConsumer):

    """"异步处理私信应用中的websocket请求"""
    async def connect(self):
        if self.scope['user'].is_anonymous:
            # 未登录用户拒绝连接请求
            await self.close()
        else:
            await self.channel_layer.group_add('notifications', self.channel_name)
            await self.accept()

    async def receive(self, text_data=None, bytes_data=None):
        """将接收到的消息返回给前端"""
        await self.send(text_data=json.dumps(text_data))

    async def disconnect(self, code):
        """断开连接"""
        await self.channel_layer.group_discard('notifications', self.channel_name)

4. 如果通过ORM保存和获取数据？#

Copy
async def websocket_receive(self, event):
        # ORM 同步的代码
        user = User.objects.get(username=username)

        # ORM语句同步变异步，方式一
        from channels.db import database_sync_to_async
        user = await database_sync_to_async(User.objects.get(username=username))

        # ORM语句同步变异步，方式二
        @database_sync_to_async
        def get_username(username):
            return User.objects.get(username=username)

        await self.send({
            "type": "websocket.send",
            "text": event["text"]
        })

ASGI#

全名：Asynchronous Server Gateway Interface。它是区别于 wsgi 的一种异步服务网关接口，不仅仅只是通过 asyncio 以异步方式运行，还支持多种协议。完整的文档戳这里

关联的几个项目：

  • https://github.com/django/asgiref ASGI内存中的通道层，函数的同步异步之间相互转化需要

  • https://github.com/django/daphne 支持HTTP，HTTP2和WebSocket协议服务器，启动 Channels 的项目需要， 类似uWSGI

  • https://github.com/django/channels_redis Channels专属的通道层，使用Redis作为其后备存储，并支持单服务器和分片配置以及群组支持。（这个项目是 Channels 的一个附属项目，配置的时候作为可选项使用，该软件包的早期版本被称为 asgi_redis，如果你在使用 Channels 1.x项目，它仍可在PyPI下通过这个名称使用。但 channels_redis 仅适用于 Channels 2 项目。）

WSGI#

Python Web Server Gateway Interface 为python语言定义的Web服务器和Web应用框架之间的一种简单和通用的接口标准，是一种协议规范，部署的环境是基于HTTP, 或者 HTTP2的项目。

image.png

根据WSGI实现一个简单的web框架

uwsgi#

是一种传输协议，用于定义传输信息的类型。用于在uWSGI服务器与其他网络服务器的数据通信如Nginx

uWSGI#

uWSGI是一个Web服务器，它实现了WSGI协议、uwsgi协议、http协议 等协议，完全用C编写，效率高性能稳定， 只处理动态请求，不处理静态文件，静态文件一般交给Nginx来转发

image.png

了解服务端推送技术#

image.png

image.png

方式 类型 技术实现 优点 缺点 适用场景
meta标签 client→server 通过配置meta标签让浏览器自动刷新 使用方式简单，可以在JS禁用情况下使用 不是实时更新数据，对服务器造成的压力大，带宽浪费多 <META HTTP-RQUIV="Refresh" CONTENT=12>
轮询Polling client→server 利用 Javascript 中的 setInterval 或 setTimeout 在固定的時間內向 Server 端發起 Request 以 JSON 或 AJAX（xhr)的方式取得最新的資料 实现简单 1、浪费带宽和服务器资源 2、 一次请求信息大半是无用（完整http头信息） 3、有延迟 4、大部分无效请求 适于小型应用
长轮询Long-Polling client→server 服务器hold住连接，一直到有数据或者超时才返回，减少重复请求次数 1、实现简单 2、不会频繁发请求 3、节省流量 4、延迟低 1、服务器hold住连接，会消耗资源 2、一次请求信息大半是无用 WebQQ、Hi网页版、Facebook IM
长连接iframe client→server 在页面里嵌入一个隐蔵iframe，将这个 iframe 的 src 属性设为对一个长连接的请求，服务器端就能源源不断地往客户端输入数据。 1、数据实时送达 2、不发无用请求，一次链接，多次“推送” 1、服务器增加开销 2、无法准确知道连接状态 3、IE、chrome等一直会处于loading状态 Gmail聊天
WebSocket server⇌client new WebSocket() 1、支持双向通信，实时性更强 2、可发送二进制文件3、减少通信量4、並且在握手阶段（handshake)采用HTTP 协议，因此不容易被屏蔽 浏览器支持程度不一致 网络游戏、银行交互和支付，实时通讯，股票，数字货币价格信息等

了解 Websocket#

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通讯的协议。WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。本质上也是一个TCP长连接，建立在TCP协议之上。

img

相关信息

101code: Switching Protocols， 当发起ws请求的到时候，服务器响应浏览器的状态码是101， 表示根据Upgrade header转换协议

  • 客户端请求
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GET ws://127.0.0.1:8000/ws/.../ HTTP/1.1
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
  • 服务端回应：
Copy
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

字段说明#

  • Connection必须设置Upgrade，表示客户端希望连接升级。
  • Upgrade字段必须设置Websocket，表示希望升级到Websocket协议。
  • Sec-WebSocket-Key是随机的字符串，服务器端会用这些数据来构造出一个SHA-1的信息摘要。把“Sec-WebSocket-Key”加上一个特殊字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”(websocket协议制定时用的一个UUID)，然后计算SHA-1摘要，之后进行BASE-64编码，将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值，返回给客户端。如此操作，可以尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议。
  • Sec-WebSocket-Accept 表示服务端接收客户端请求并建立websocket链接
  • Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13，之前草案的版本均应当弃用。
  • Origin字段是可选的，通常用来表示在浏览器中发起此Websocket连接所在的页面，类似于Referer。但是，与Referer不同的是，Origin只包含了协议和主机名称。
  • 其他一些定义在HTTP协议中的字段，如Cookie等，也可以在Websocket中使用。

服务端是如何主动推送信息到客户端的？ - 张铁蕾的回答 - 知乎

Web 实时推送技术的总结

Comet：基于 HTTP 长连接的“服务器推”技术

獲得實時更新的方法（Polling, Comet, Long Polling, WebSocket）

MQTT协议中文版 有时间要看一看

参考资料#

WebSocket 教程-阮一峰

Django Channels

WebSocket chatRoom with Django-Channels（一）

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