Socket.io提供了基于事件的實時雙向通訊
Browser和WebServer間的實時數(shù)據(jù)傳輸是一個很重要的需求,但最早只能通過AJAX輪詢方式實現(xiàn)。在WebSocket標(biāo)準(zhǔn)沒有推出之前,AJAX輪詢是一種可行的方案。
AJAX輪詢原理是設(shè)置定時器,定時通過AJAX同步服務(wù)端數(shù)據(jù)。這種方式存在延時且對服務(wù)端造成很大負載。直至2011年,IETF才標(biāo)準(zhǔn)化WebSocket - 一種基于TCP套接字進行收發(fā)數(shù)據(jù)的協(xié)議。
Socket.io將數(shù)據(jù)傳輸部分獨立出來形成engine.io,engine.io對WebSocket和AJAX輪詢進行了封裝,形成了一套API,屏蔽了細節(jié)差異和兼容性問題,實現(xiàn)了跨瀏覽器/跨設(shè)備進行雙向數(shù)據(jù)通信。
WebSocket 協(xié)議
WebSocket是HTML5新增的一種通信協(xié)議,其特點是服務(wù)端可以主動向客戶端推送信息,客戶端也可以主動向服務(wù)端發(fā)送信息,是真正的雙向平等對話,屬于服務(wù)器推送技術(shù)的一種。
在WebSocket API中,瀏覽器和服務(wù)器只需要做一個握手的動作,然后瀏覽器和服務(wù)端之間就形成了一條快速通道,兩者之間就直接可以數(shù)據(jù)相互傳送,帶來的好處是
- 相互溝通的
Header很小,大概只有2Bytes。 - 服務(wù)器不再被動的接收到瀏覽器的請求之后才返回數(shù)據(jù),而是在有新數(shù)據(jù)時就主動推送給瀏覽器。
為了建立一個WebSocket連接,瀏覽器首先要向服務(wù)器發(fā)起一個HTTP請求,這個請求和通常的HTTP請求不同,包含了一些附加頭信息,其中附加頭信息Upgrade: WebSocket表明這是一個申請協(xié)議升級的HTTP請求。服務(wù)端解析這些頭信息,然后產(chǎn)生應(yīng)答信息返回給客戶端,客戶端和服務(wù)端的WebSocket連接就建立起來了。雙方就可以通過這個連接通道自由的傳遞信息,并且這個連接會持續(xù)直到客戶端或者服務(wù)端的某一方主動關(guān)閉連接。
為什么要使用WebSocket呢?
Browser已經(jīng)支持HTTP協(xié)議,為什么還要開發(fā)一種新的WebSocket協(xié)議呢?
我們知道HTTP協(xié)議是一種單向的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,在建立連接后,僅允許Browser/UserAgent向WebServer發(fā)出請求資源后,WebServer才能返回對應(yīng)的數(shù)據(jù),而WebServer不能主動的推送數(shù)據(jù)給Browser/UserAgent。
最初這么設(shè)計HTTP協(xié)議的原因是,假設(shè)WebServer能主動的推送數(shù)據(jù)給Browser/UserAgent,那么Browser/UserAgent就太容易受到攻擊了,一些廣告商也會主動把廣告在不經(jīng)意間強行的傳輸給客戶端,這不能不說是一個災(zāi)難。那么單向的HTTP協(xié)議給Web應(yīng)用開發(fā)帶哪些問題呢?
現(xiàn)在假設(shè)我們要開發(fā)一個基于Web的應(yīng)用去獲取當(dāng)前WebServer的實時數(shù)據(jù)。例如股票實時行情、火車票剩余票數(shù)等。這就需要Browser/UserAgent與WebServer之間反復(fù)進行HTTP通信,Browser/UserAgent不斷的發(fā)送請求去獲取當(dāng)前的實時數(shù)據(jù)。
常見的方式
- Polling
Polling輪詢是通過Browser/UserAgent定時向WebServer發(fā)送HTTP請求,WebServer收到請求后把最新的數(shù)據(jù)發(fā)回給Browser/UserAgent,Browser/UserAgent得到數(shù)據(jù)后將其顯示,然后再定期重復(fù)此過程。
雖然這樣可以滿足需求,但仍存在問題,例如某段時間內(nèi)WebServer沒有更新的數(shù)據(jù),但Browser/UserAgent仍然會定時發(fā)送請求過來詢問,WebServer可以把以前的老數(shù)據(jù)再傳送過去,Browser/UserAgent把這些沒有變化的數(shù)據(jù)再顯示出來。這樣既浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬,有浪費CPU利用率。
如果說把Browser/UserAgent發(fā)送請求的周期調(diào)大一些,就可以緩解這個問題,但如果WebServer的數(shù)據(jù)更新很快時,這樣又不能保證Web應(yīng)用獲取數(shù)據(jù)的實時性。
- LongPolling
LongPolling是對Polling的一種改進。
Browser/UserAgent發(fā)送HTTP請求到WebServer,此時WebServer可以做2件事情:
如果WebServer有新的數(shù)據(jù)需要傳送,就立即把數(shù)據(jù)發(fā)回給Browser/UserAgent,Browser/UserAgent收到數(shù)據(jù)后,立即再發(fā)送HTTP請求給WebServer。
如果WebServer沒有新數(shù)據(jù)需要傳送,這里與Polling的方式不同的是,WebServer不是立即發(fā)送回應(yīng)給Browser/UserAgent,而是將這個請求保持住,等待有新的數(shù)據(jù)來到,再去響應(yīng)這個請求。當(dāng)然,如果WebServer的數(shù)據(jù)長期沒有更新,一段時間后,這個HTTP請求就會超時,Browser/UserAgent收到超時信息后,在立即發(fā)送一個新的HTTP請求給服務(wù)器,然后依次循環(huán)這個過程。
LongPolling的方式雖然在某種程度上減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU利用率等問題,但仍存在缺陷。
例如WebServer的數(shù)據(jù)更新速度較快,WebServer在傳送一個數(shù)據(jù)包給Browser/UserAgent后必須等待Browser的下一個HTTP請求到來,才能傳遞第二個更新的數(shù)據(jù)包給Browser。這樣的話,Browser顯示實時數(shù)據(jù)最快的時間為2 xRTT(往返時間)。另外在網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下,這個應(yīng)該是不能讓用戶接受的。另外,由于HTTP數(shù)據(jù)包的頭部數(shù)據(jù)量很大(通常有400多個字節(jié)),但真正被服務(wù)器需要的數(shù)據(jù)卻很少(有時只有10個字節(jié)左右),這樣的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上周期性傳輸,難免對網(wǎng)絡(luò)帶寬是一種浪費。
綜上所述,要是在Browser有一種新的網(wǎng)路一些,能支持客戶端和服務(wù)端的雙向通信,而且協(xié)議的頭部又不那么龐大就very nice了。WebSocket正是肩負這樣的使命登上了Web的舞臺。
WebSocket 原理
WebSocket是一種雙向通信協(xié)議,它建立在TCP之上,同HTTP一樣通過TCP來傳輸數(shù)據(jù),但與HTTP最大不同的是:
WebSocket是一種雙向通信協(xié)議,在建立連接后,WebSocket服務(wù)器和Browser/UserAgent都能主動的向?qū)ο蟀l(fā)送或接收數(shù)據(jù),就像Socket一樣,不同的是WebSocket是一種建立在Web基礎(chǔ)上的簡單模擬Socket的協(xié)議。
WebSocket需要通過握手連接,類似TCP也需要客戶端和服務(wù)端進行握手連接,連接成功后才能相互通信。

簡單說明下WebSocket握手的過程
當(dāng)Web應(yīng)用端調(diào)用new WebSocket(url)接口時,Browser就開始了與地址為URL的WebServer建立握手連接的過程。
Browser與WebSocket服務(wù)器通過TCP三次握手建立連接,如果這個建立連接失敗,那么后面的過程就不會執(zhí)行,Web應(yīng)用將收到錯誤消息通知。
在TCP建立連接成功后,Browser/UserAgent通過HTTP協(xié)議傳送WebSocket支持的版本號、協(xié)議的字版本號、原始地址、主機地址等一系列字段給服務(wù)端。
WebSocket服務(wù)器收到Browser/UserAgent發(fā)送來的握手請求后,如果數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)和格式正確,客戶端和服務(wù)端的協(xié)議版本匹配等,就接受本次握手連接,并給出對應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù),同樣回復(fù)的數(shù)據(jù)包也是采用HTTP協(xié)議傳輸。
Browser收到服務(wù)器回復(fù)的數(shù)據(jù)包后,如果數(shù)據(jù)包內(nèi)容、格式都沒有問題的話,就表示本次連接成功,觸發(fā)
onopen消息,此時Web開發(fā)者就可以在此時通過send接口向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。否則,握手連接失敗,Web應(yīng)用會收到onerror消息,并且能知道連接失敗的原因。
WebSocket與TCP、HTTP的關(guān)系
WebSocket與HTTP協(xié)議一樣都是基于TCP的,所以它們都是可靠的協(xié)議,Web開發(fā)者調(diào)用的WebSocket的send函數(shù)在Browser的實現(xiàn)中最終都是通過TCP的系統(tǒng)接口進行傳輸?shù)摹?/p>
WebSocket和HTTP協(xié)議樣都屬于應(yīng)用層協(xié)議,那么它們之間有沒有什么關(guān)系呢?
答案是肯定的,WebSocket在建立握手連接時,數(shù)據(jù)是通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)?。但在建立連接之后,真正的數(shù)據(jù)傳輸階段是不需要HTTP參與的。

WebSocket Server
如果要搭建一個WebServer,我們會有很多選擇,市場上也有很多成熟的產(chǎn)品供我們是使用。例如開源的Apache,安裝配置后即可工作。但如果想要搭建一個WebSocket服務(wù)器就沒有那么輕松,因為WebSocket是一種新的通信協(xié)議,目前還是草案,沒有成為標(biāo)準(zhǔn),市場上也沒有成熟的WebSocket服務(wù)器或Library實現(xiàn)WebSocket協(xié)議,我們必須自己手動編碼去解析和組裝WebSocket的數(shù)據(jù)包。要完成一個WebSocket服務(wù)器,估計所有的人都想放棄,不過市場上有幾款比較好的開源Library可供使用。例如PyWebSocket、WebSocket-Node、LibWebSockets等,這些Library已經(jīng)實現(xiàn)了WebSocket數(shù)據(jù)包的封裝和解析,我們可以調(diào)用這些接口,這在很大程度上減少了我們的工作量。
Socket.io
socket.io是一個跨瀏覽器支持WebSocket的實時通訊的JS。
由于HTTP是無狀態(tài)的協(xié)議,要實現(xiàn)即時通訊非常困難。因為當(dāng)對方發(fā)送一條消息時,服務(wù)器并不知道當(dāng)前有哪些用戶等著接收消息,當(dāng)前實現(xiàn)即時通訊功能最為普遍的方式就是輪詢機制。即客戶端定期發(fā)起一個請求,看看有沒有人發(fā)送消息到服務(wù)器,如果有服務(wù)端就將消息發(fā)給客戶端。這種做法的缺點顯而易見,那么多的請求將消耗大量資源,大量的請求其實是浪費的。
現(xiàn)在,我們有了WebSocket,它是HTML5的新API。WebSocket連接本質(zhì)上就是建立一個TCP連接,WebSocket會通過HTTP請求建立,建立后的WebSocket會在客戶端和服務(wù)端建立一個持久的連接,直到有一方主動關(guān)閉該連接。所以,現(xiàn)在服務(wù)器就知道有哪些用戶正在連接了,這樣通訊就變得相對容易了。
Socket.io支持及時、雙向、基于事件的交流,可在不同平臺、瀏覽器、設(shè)備上工作,可靠性和速度穩(wěn)定。最典型的應(yīng)用場景如:
- 實時分析:將數(shù)據(jù)推送到客戶端,客戶端表現(xiàn)為實時計數(shù)器、圖表、日志客戶。
- 實時通訊:聊天應(yīng)用
- 二進制流傳輸:socket.io支持任何形式的二進制文件傳輸,例如圖片、視頻、音頻等。
- 文檔合并:允許多個用戶同時編輯一個文檔,并能夠看到每個用戶做出的修改。
Socket.io實際上是WebSocket的父集,Socket.io封裝了WebSocket和輪詢等方法,會根據(jù)情況選擇方法來進行通訊。
Node.js提供了高效的服務(wù)端運行環(huán)境,但由于Browser對HTML5的支持不一,為了兼容所有瀏覽器,提供實時的用戶體驗,并為開發(fā)者提供客戶端與服務(wù)端一致的編程體驗,于是Socket.io誕生了。
# npm安裝socket.op
$ npm install --save socket.io
Socket.io將WebSocket和Polling機制以及其它的實時通信方式封裝成通用的接口,并在服務(wù)端實現(xiàn)了這些實時機制相應(yīng)代碼。這就是說,WebSocket僅僅是Socket.io實現(xiàn)實時通信的一個子集,那么Socket.io都實現(xiàn)了Polling中那些通信機制呢?
- Adobe Flash Socket
大部分PC瀏覽器都支持的Socket模式,不過是通過第三方嵌入到瀏覽器,不在W3C規(guī)范內(nèi),可能將逐步被淘汰。況且,大部分手機瀏覽器并不支持此種模式。 - AJAX Long Polling
定時向服務(wù)端發(fā)送請求,缺點是給服務(wù)端帶來壓力并出現(xiàn)信息更新不及時的現(xiàn)象。 - AJAX multipart streaming
在XMLHttpRequest對象上使用某些瀏覽器支持的multi-part標(biāo)志,AJAX請求被發(fā)送給服務(wù)端并保持打開狀態(tài)(掛起狀態(tài)),每次需要向客戶端發(fā)送信息,就尋找一個掛起的HTTP請求響應(yīng)給客戶端,并且所有的響應(yīng)都會通過統(tǒng)一連接來寫入。 - Forever Iframem
永存的Iframe設(shè)計了一個置于頁面中隱藏的iframe標(biāo)簽,該標(biāo)簽的src屬性指向返回服務(wù)端時間的Servlet路徑。每次在事件到達時,Servlet寫入并刷新一個新的Script標(biāo)簽,該標(biāo)簽內(nèi)部帶有JS代碼,iframe的內(nèi)容被附加上script標(biāo)簽,標(biāo)簽中的內(nèi)容就會得到執(zhí)行。這種方式的缺點是接收數(shù)據(jù)都是由瀏覽器通過HTML標(biāo)簽來處理的,因此無法知道連接何時在哪一端被斷開,而且iframe標(biāo)簽在瀏覽器中將被逐步取消。 - JSONP Polling
JSONP輪詢基本與HTTP輪詢一樣,不同之處則是JSONP可發(fā)出跨域請求。
Socket.io 基本應(yīng)用
socket.io提供了基于事件的實時雙向通訊,它同時提供了服務(wù)端和客戶端的API。
服務(wù)端
服務(wù)端socket.io必須綁定一個http.Server實例,因為WebSocket協(xié)議是構(gòu)建在HTTP協(xié)議之上的,所以在創(chuàng)建WebSocket服務(wù)時需調(diào)用HTTP模塊并調(diào)用其下createServer()方法,將生成的server作為參數(shù)傳入socket.io。
var httpServer = require('http').createServer();
var io = require('socket.io')(httpServer);
httpServer.listen(3000);
綁定http.Server可使用隱式綁定和顯式綁定
- 隱式綁定
socket.io內(nèi)部實例化并監(jiān)聽http.Server,通過實例化時傳入端口或者在實例化后調(diào)用listen或attach函數(shù)進行隱式綁定。
// 實例化時傳入端口
require('socket.io')(3000)
// 通過listen或attach函數(shù)綁定
let io = require('socket.io')
io.listen(3000);
// io.attach(3000);
- 顯式綁定
// 實例化時綁定
let httpServer = require('http').Server();
let io = require('socket.io')(httpServer);
httpServer.listen(3000);
//通過listen或attach綁定
let httpServer = require('http').Server();
let io = require('socket.io')();
io.listen(httpServer);
// io.attach(httpServer);
httpServer.listen(3000);
Express框架中使用
let app = require('express');
let httpServer= require('http').Server(app);
let io = require('socket.io')(httpServer);
app.listen(3000);
KOA框架中使用
let app = require('koa')();
let httpServer = require('http').Server(app.callback());
let io = require('socket.io')(httpServer);
app.listen(3000);
建立連接
當(dāng)服務(wù)端和客戶端連接成功時,服務(wù)端會監(jiān)聽到connection和connect事件,客戶端會監(jiān)聽到connect事件,斷開連接時服務(wù)端對應(yīng)到客戶端的socket與客戶端均會監(jiān)聽到disconcect事件。
/*客戶端*/
<script src="http://cdn.socket.io/stable/socket.io.js"></script>
<script>
// socket.io引入成功后,可通過io()生成客戶端所需的socket對象。
let socket = io('http://127.0.0.0:3000');
// socket.emit()用戶客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息,服務(wù)端與之對應(yīng)的是socket.on()來接收信息。
socket.emit('client message', {msg:'hi, server'});
// socket.on()用于接收服務(wù)端發(fā)來的消息
socket.on('connect', ()=>{
console.log('client connect server');
});
socket.on('disconnect', ()=>{
console.log('client disconnect');
});
</script>
/*服務(wù)端*/
// 服務(wù)端綁定HTTP服務(wù)器實例
let httpServer = require('http').Server();
let io = require('socket.io')(httpServer);
httpServer.listen(3000);
// 服務(wù)端監(jiān)聽連接狀態(tài):io的connection事件表示客戶端與服務(wù)端成功建立連接,它接收一個回調(diào)函數(shù),回調(diào)函數(shù)會接收一個socket參數(shù)。
io.on('connection', (socket)=>{
console.log('client connect server, ok!');
// io.emit()方法用于向服務(wù)端發(fā)送消息,參數(shù)1表示自定義的數(shù)據(jù)名,參數(shù)2表示需要配合事件傳入的參數(shù)
io.emit('server message', {msg:'client connect server success'});
// socket.broadcast.emit()表示向除了自己以外的客戶端發(fā)送消息
socket.broadcast.emit('server message', {msg:'broadcast'});
// 監(jiān)聽斷開連接狀態(tài):socket的disconnect事件表示客戶端與服務(wù)端斷開連接
socket.on('disconnect', ()=>{
console.log('connect disconnect');
});
// 與客戶端對應(yīng)的接收指定的消息
socket.on('client message', (data)=>{
cosnole.log(data);// hi server
});
socket.disconnect();
});
傳輸數(shù)據(jù)
服務(wù)端和客戶端的socket是一個關(guān)聯(lián)的EventEmitter對象,客戶端socket派發(fā)的事件可以通過被服務(wù)端的socket接收,服務(wù)端socket派發(fā)的事件也可以被客戶端接收?;谶@種機制,可以實現(xiàn)雙向交流。
# 模擬:客戶端不斷發(fā)送隨機數(shù),當(dāng)隨機數(shù)大于0.95時,服務(wù)端延遲1s后向客戶端發(fā)送警告以及警告次數(shù)。
/*客戶端*/
<script src="http://cdn.socket.io/stable/socket.io.js"></script>
<script>
let socket = io('http://127.0.0.1:3000');
let interval = setTimeInterval(()=>{
socket.emit('random', Math.random());
}, 500);
socket.on('warn', count=>{
console.log('warning count : '+count);
});
socket.on('disconnect', ()=>{
clearInterval(interval);
});
</script>
/*服務(wù)端*/
let httpServer = require('http').Server();
let io = require('socket.io')(httpServer);
httpServer.listen(3000);
io.on('connection', socket=>{
socket.on('random', value=>{
console.log(value);
if(value>0.95){
if(typeof socket.warnign==='undefined'){
socket.warning = 0;// socket對象可用來存儲狀態(tài)和自定義數(shù)據(jù)
}
setTimeout(()=>{
socket.emit('warn', ++socket.warning);
}, 1000);
}
});
});
客戶端
運行環(huán)境:NodeJS