Javascript WebSocket

2023-02-17 10:57 更新

在 RFC 6455 规范中描述的 ​WebSocket​ 协议,提供了一种在浏览器和服务器之间建立持久连接来交换数据的方法。数据可以作为“数据包”在两个方向上传递,而无需中断连接也无需额外的 HTTP 请求。

对于需要连续数据交换的服务,例如网络游戏,实时交易系统等,WebSocket 尤其有用。

一个简单例子

要打开一个 WebSocket 连接,我们需要在 url 中使用特殊的协议 ws 创建 new WebSocket

let socket = new WebSocket("ws://javascript.info");

同样也有一个加密的 wss:// 协议。类似于 WebSocket 中的 HTTPS。

始终使用 ​wss://

wss:// 协议不仅是被加密的,而且更可靠。

因为 ws:// 数据不是加密的,对于任何中间人来说其数据都是可见的。并且,旧的代理服务器不了解 WebSocket,它们可能会因为看到“奇怪的” header 而中止连接。

另一方面,wss:// 是基于 TLS 的 WebSocket,类似于 HTTPS 是基于 TLS 的 HTTP),传输安全层在发送方对数据进行了加密,在接收方进行解密。因此,数据包是通过代理加密传输的。它们看不到传输的里面的内容,且会让这些数据通过。

一旦 socket 被建立,我们就应该监听 socket 上的事件。一共有 4 个事件:

  • open​ —— 连接已建立,
  • message​ —— 接收到数据,
  • error​ —— WebSocket 错误,
  • close​ —— 连接已关闭。

……如果我们想发送一些东西,那么可以使用 socket.send(data)

这是一个示例:

let socket = new WebSocket("wss://javascript.info/article/websocket/demo/hello");

socket.onopen = function(e) {
  alert("[open] Connection established");
  alert("Sending to server");
  socket.send("My name is John");
};

socket.onmessage = function(event) {
  alert(`[message] Data received from server: ${event.data}`);
};

socket.onclose = function(event) {
  if (event.wasClean) {
    alert(`[close] Connection closed cleanly, code=${event.code} reason=${event.reason}`);
  } else {
    // 例如服务器进程被杀死或网络中断
    // 在这种情况下,event.code 通常为 1006
    alert('[close] Connection died');
  }
};

socket.onerror = function(error) {
  alert(`[error] ${error.message}`);
};

出于演示目的,在上面的示例中,运行着一个用 Node.js 写的小型服务器 server.js。它响应为 “Hello from server, John”,然后等待 5 秒,关闭连接。

所以你看到的事件顺序为:open → message → close

这就是 WebSocket,我们已经可以使用 WebSocket 通信了。很简单,不是吗?

现在让我们更深入地学习它。

建立 WebSocket

当 new WebSocket(url) 被创建后,它将立即开始连接。

在连接期间,浏览器(使用 header)问服务器:“你支持 WebSocket 吗?”如果服务器回复说“我支持”,那么通信就以 WebSocket 协议继续进行,该协议根本不是 HTTP。


这是由 new WebSocket("wss://javascript.info/chat") 发出的请求的浏览器 header 示例。

GET /chat
Host: javascript.info
Origin: https://javascript.info
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: Iv8io/9s+lYFgZWcXczP8Q==
Sec-WebSocket-Version: 13
  • Origin​ —— 客户端页面的源,例如 ​https://javascript.info​。WebSocket 对象是原生支持跨源的。没有特殊的 header 或其他限制。旧的服务器无法处理 WebSocket,因此不存在兼容性问题。但 ​Origin​ header 很重要,因为它允许服务器决定是否使用 WebSocket 与该网站通信。
  • Connection: Upgrade​ —— 表示客户端想要更改协议。
  • Upgrade: websocket​ —— 请求的协议是 “websocket”。
  • Sec-WebSocket-Key​ —— 浏览器随机生成的安全密钥。
  • Sec-WebSocket-Version​ —— WebSocket 协议版本,当前为 13。

无法模拟 WebSocket 握手

我们不能使用 XMLHttpRequest 或 fetch 来进行这种 HTTP 请求,因为不允许 JavaScript 设置这些 header。

如果服务器同意切换为 WebSocket 协议,服务器应该返回响应码 101:

101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: hsBlbuDTkk24srzEOTBUlZAlC2g=

这里 Sec-WebSocket-Accept 是 Sec-WebSocket-Key,是使用特殊的算法重新编码的。浏览器使用它来确保响应与请求相对应。

然后,使用 WebSocket 协议传输数据,我们很快就会看到它的结构(“frames”)。它根本不是 HTTP。

扩展和子协议

WebSocket 可能还有其他 header,Sec-WebSocket-Extensions 和 Sec-WebSocket-Protocol,它们描述了扩展和子协议。

例如:

  • Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame​ 表示浏览器支持数据压缩。扩展与传输数据有关,扩展了 WebSocket 协议的功能。​Sec-WebSocket-Extensions​ header 由浏览器自动发送,其中包含其支持的所有扩展的列表。
  • Sec-WebSocket-Protocol: soap, wamp​ 表示我们不仅要传输任何数据,还要传输 SOAP 或 WAMP(“The WebSocket Application Messaging Protocol”)协议中的数据。WebSocket 子协议已经在  IANA catalogue 中注册。因此,此 header 描述了我们将要使用的数据格式。
  • 这个可选的 header 是使用 new WebSocket 的第二个参数设置的。它是子协议数组,例如,如果我们想使用 SOAP 或 WAMP:

    let socket = new WebSocket("wss://javascript.info/chat", ["soap", "wamp"]);
    

服务器应该使用同意使用的协议和扩展的列表进行响应。

例如,这个请求:

GET /chat
Host: javascript.info
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Origin: https://javascript.info
Sec-WebSocket-Key: Iv8io/9s+lYFgZWcXczP8Q==
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame
Sec-WebSocket-Protocol: soap, wamp

响应:

101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: hsBlbuDTkk24srzEOTBUlZAlC2g=
Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame
Sec-WebSocket-Protocol: soap

在这里服务器响应 —— 它支持扩展 “deflate-frame”,并且仅支持所请求的子协议中的 SOAP。

数据传输

WebSocket 通信由 “frames”(即数据片段)组成,可以从任何一方发送,并且有以下几种类型:

  • “text frames” —— 包含各方发送给彼此的文本数据。
  • “binary data frames” —— 包含各方发送给彼此的二进制数据。
  • “ping/pong frames” 被用于检查从服务器发送的连接,浏览器会自动响应它们。
  • 还有 “connection close frame” 以及其他服务 frames。

在浏览器里,我们仅直接使用文本或二进制 frames。

WebSocket .send() 方法可以发送文本或二进制数据。

socket.send(body) 调用允许 body 是字符串或二进制格式,包括 BlobArrayBuffer 等。不需要额外的设置:直接发送它们就可以了。

当我们收到数据时,文本总是以字符串形式呈现。而对于二进制数据,我们可以在 Blob 和 ArrayBuffer 格式之间进行选择。

它是由 socket.binaryType 属性设置的,默认为 "blob",因此二进制数据通常以 Blob 对象呈现。

Blob 是高级的二进制对象,它直接与 <a><img> 及其他标签集成在一起,因此,默认以 Blob 格式是一个明智的选择。但是对于二进制处理,要访问单个数据字节,我们可以将其改为 "arraybuffer"

socket.binaryType = "arraybuffer";
socket.onmessage = (event) => {
  // event.data 可以是文本(如果是文本),也可以是 arraybuffer(如果是二进制数据)
};

限速

想象一下:我们的应用程序正在生成大量要发送的数据。但是用户的网速却很慢,可能是在乡下的移动设备上。

我们可以反复地调用 socket.send(data)。但是数据将会缓冲(储存)在内存中,并且只能在网速允许的情况下尽快将数据发送出去。

socket.bufferedAmount 属性储存了目前已缓冲的字节数,等待通过网络发送。

我们可以检查它以查看 socket 是否真的可用于传输。

// 每 100ms 检查一次 socket
// 仅当所有现有的数据都已被发送出去时,再发送更多数据
setInterval(() => {
  if (socket.bufferedAmount == 0) {
    socket.send(moreData());
  }
}, 100);

连接关闭

通常,当一方想要关闭连接时(浏览器和服务器都具有相同的权限),它们会发送一个带有数字码(numeric code)和文本形式的原因的 “connection close frame”。

它的方法是:

socket.close([code], [reason]);
  • code​ 是一个特殊的 WebSocket 关闭码(可选)
  • reason​ 是一个描述关闭原因的字符串(可选)

然后,另外一方通过 close 事件处理器获取了关闭码和关闭原因,例如:

// 关闭方:
socket.close(1000, "Work complete");

// 另一方
socket.onclose = event => {
  // event.code === 1000
  // event.reason === "Work complete"
  // event.wasClean === true (clean close)
};

最常见的数字码:

  • 1000​ —— 默认,正常关闭(如果没有指明 ​code​ 时使用它),
  • 1006​ —— 没有办法手动设定这个数字码,表示连接丢失(没有 close frame)。

还有其他数字码,例如:

  • 1001​ —— 一方正在离开,例如服务器正在关闭,或者浏览器离开了该页面,
  • 1009​ —— 消息太大,无法处理,
  • 1011​ —— 服务器上发生意外错误,
  • ……等。

完整列表请见 RFC6455, §7.4.1

WebSocket 码有点像 HTTP 码,但它们是不同的。特别是,小于 1000 的码都是被保留的,如果我们尝试设置这样的码,将会出现错误。

// 在连接断开的情况下
socket.onclose = event => {
  // event.code === 1006
  // event.reason === ""
  // event.wasClean === false(未关闭 frame)
};

连接状态

要获取连接状态,可以通过带有值的 ​socket.readyState​ 属性:

  • 0​ —— “CONNECTING”:连接还未建立,
  • 1​ —— “OPEN”:通信中,
  • 2​ —— “CLOSING”:连接关闭中,
  • 3​ —— “CLOSED”:连接已关闭。

聊天示例

让我们来看一个使用浏览器 WebSocket API 和 Node.js 的 WebSocket 模块 https://github.com/websockets/ws 的聊天示例。我们将主要精力放在客户端上,但是服务端也很简单。

HTML:我们需要一个 <form> 来发送消息,并且需要一个 <div> 来接收消息:

<!-- 消息表单 -->
<form name="publish">
  <input type="text" name="message">
  <input type="submit" value="Send">
</form>

<!-- 带有消息的 div -->
<div id="messages"></div>

在 JavaScript 中,我们想要做三件事:

  1. 打开连接。
  2. 在表单提交中 —— ​socket.send(message)​ 用于消息。
  3. 对于传入的消息 —— 将其附加(append)到 ​div#messages​ 上。

代码如下

let socket = new WebSocket("wss://javascript.info/article/websocket/chat/ws");

// 从表单发送消息
document.forms.publish.onsubmit = function() {
  let outgoingMessage = this.message.value;

  socket.send(outgoingMessage);
  return false;
};

// 收到消息 —— 在 div#messages 中显示消息
socket.onmessage = function(event) {
  let message = event.data;

  let messageElem = document.createElement('div');
  messageElem.textContent = message;
  document.getElementById('messages').prepend(messageElem);
}

服务端代码有点超出我们的范围。在这里,我们将使用 Node.js,但你不必这样做。其他平台也有使用 WebSocket 的方法。

服务器端的算法为:

  1. 创建 ​clients = new Set()​ —— 一系列 socket。
  2. 对于每个被接受的 WebSocket,将其添加到 ​clients.add(socket)​,并为其设置 ​message​ 事件侦听器以获取其消息。
  3. 当接收到消息:遍历客户端,并将消息发送给所有人。
  4. 当连接被关闭:​clients.delete(socket)​。
const ws = new require('ws');
const wss = new ws.Server({noServer: true});

const clients = new Set();

http.createServer((req, res) => {
  // 在这里,我们仅处理 WebSocket 连接
  // 在实际项目中,我们在这里还会有其他代码,来处理非 WebSocket 请求
  wss.handleUpgrade(req, req.socket, Buffer.alloc(0), onSocketConnect);
});

function onSocketConnect(ws) {
  clients.add(ws);

  ws.on('message', function(message) {
    message = message.slice(0, 50); // message 的最大长度为 50

    for(let client of clients) {
      client.send(message);
    }
  });

  ws.on('close', function() {
    clients.delete(ws);
  });
}

你也可以下载它然后在本地运行。运行之前请记得安装 Node.js 和 npm install ws

下载链接

总结

WebSocket 是一种在浏览器和服务器之间建立持久连接的现代方式。

  • WebSocket 没有跨源限制。
  • 浏览器对 WebSocket 支持很好。
  • 可以发送/接收字符串和二进制数据。

WebSocket 的 API 很简单。

WebSocket 方法:

  • socket.send(data)
  • socket.close([code], [reason])

WebSocket 事件:

  • open
  • message
  • error
  • close

WebSocket 自身并不包含重新连接(reconnection),身份验证(authentication)和很多其他高级机制。因此,有针对于此的客户端/服务端的库,并且也可以手动实现这些功能。

有时为了将 WebSocket 集成到现有项目中,人们将主 HTTP 服务器与 WebSocket 服务器并行运行,并且它们之间共享同一个数据库。对于 WebSocket 请求使用一个通向 WebSocket 服务器的子域 wss://ws.site.com,而 https://site.com 则通向主 HTTP 服务器。

当然,其他集成方式也是可行的。


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