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小白Websocket入门,10分钟搭建一个多人聊天室~

时间:2023-07-06 12:36:01 | 来源:网站运营

时间:2023-07-06 12:36:01 来源:网站运营

小白Websocket入门,10分钟搭建一个多人聊天室~:

Demo演示

chatroom-demo.gif
体验一下

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前言

从不认识Websocket到接手H5聊天室项目,接着就是一年多的聊天室功能更新和迭代,总的来说,入门很简单,要深入还是要花一些时间去学习实践才可以。网上已经有不少大佬发表过关于Websocket实现聊天室的文章,这里我自己总结了Websocket的基础知识,实现了一个简单的聊天室入门的demo,作为记录和复习,也分享给需要入门的人。

大纲

了解Websocket

背景

在许多场景下,用户需要得到实时的消息,比如聊天,医疗设备读数等,旧的解决方案是基于轮询的方式获取最新数据,但是并不会完全实时消息同步,并且大多数情况下请求都是没必要的,反而浪费了大量的流量和服务器资源。基于这种背景下,websocket诞生了。

Websocket基本概念

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在「单个 TCP 连接上」进行「全双工通讯」「协议」。WebSocket通信协议诞生于2008年,2011年成为国际标准. 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」

兼容性问题(主流浏览器都支持)

image

Websocket特点

Websocket初始握手

每个Websocket连接都始于一个HTTP请求,改请求和其他请求类似,但是包含一个特殊的首标 —— 「Upgrade」。Upgrade表示客户端将「把连接升级到Websocket协议」

在握手前,Websocket遵循HTTP/1.1协议。

客户端发送升级为Websocket的请求也称为初始握手。客户端发送HTTP升级请求后,直到服务端响应 101 状态码、Upgrade和Sec-WebSocket-Accept首标才算连接成功,否则不能连接成功。下面是拷贝的websocket握手的请求头和相应头:

// 客户端发送的请求头GET wss://www.example.cn/webSocket HTTP/1.1 // 使用的https协议, 对应的wss请求Host: www.example.cnConnection: Upgrade // 带upgrade头的http1.1消息必须含有connection头,表示任何接受此消息的人都在在转发此消息之前处理掉connection中指定的域(即不转发upgrade域)Upgrade: websocket // 定义转换协议的header域,如果服务器支持,客户端希望使用已经建立好的http(tcp)连接Sec-WebSocket-Version: 13 // 客户端支持的WebSocket协议的版本列表Origin: http://example.cn // Origin为安全使用,防止跨站攻击,浏览器一般会使用这个来标识原始域。Sec-WebSocket-Key: afmbhhBRQuwCLmnWDRWHxw== // 首标 客户端随机生成,服务器会使用此字段组装成另一个key值放在握手返回信息里。用于客户端到服务器websocket的初始握手,避免夸协议攻击。Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat // 首标 告诉客户端应用程序可使用的协议Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate(协商使用传输数据压缩); client_max_window_bits(擦采用LZ77压缩算法时,滑动窗口相关SIZE大小)// 首标​​// 服务器发出的响应头HTTP/1.1 101Server: nginx/1.12.2Date: Sat, 11 Aug 2018 13:21:27 GMTConnection: upgradeUpgrade: websocketSec-WebSocket-Accept: sLMyWetYOwus23qJyUD/fa1hztc= // 确认服务器是否理解websocket协议Sec-WebSocket-Protocol: chatSec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate;client_max_window_bits=15​​/** Sec-WebSocket-Accept的生成步骤:(1)将Sec-WebSocket-Key与协议中已定义的GUID进行拼接 (2)将(1)中生成的字符串进行SHA1编码 (3)将2中生成的字符串进行Base64编码Sec-WebSocket-Accept用来确定:(1)服务端是否理解websocket协议,如果不理解,就不会返回正确的Sec-WebSocket-Accept (2)返回值是本次请求的,而不是之前的缓存*/

websocket与HTTP的异同点

相同点

  1. 都是基于TCP的应用层协议。
  2. 都使用Request/Response模型进行连接的建立。
  3. 在连接的建立过程中对错误的处理方式相同,在这个阶段WebSocket可能返回和HTTP相同的返回码。

不同点

  1. HTTP协议基于Request/Response,只能做单向传输,是「半双工通信」,而WebSocket是「全双工通信」
「半双工通信」:单向流动, 服务器不主动推送数据给客户端。 「全双工通信」:服务器可以主动向客户端推送信息,客户端也可以主动向服务器发送信息,是真正的双向平等对话,属于服务器推送技术的一种。
  1. 「http是无状态的」,所以请求得到响应以后就关闭了,无状态的好处是服务器不需要存储相关会话信息。缺点是每次Http请求和响应都会发送关于请求的冗余信息;而WebSocket只需要建立一次Request/Response消息对,之后都是TCP连接,避免了需要多次建立Request/Response消息对而产生的冗余头部信息。节省了大量流量和服务器资源。
HTTP连接和Websocket对比
  1. WebSocket在建立握手连接时,数据是通过HTTP协议传输的,但在建立连接之后,「真正的数据传输阶段是不需要HTTP协议参与的。而http需要需要三次握手」
Http三次握手
  1. WebSocket传输的数据是二进制流,是以帧为单位的,HTTP传输的是明文传输,是字符串传输。

Websocket应用场景

Websocket相关API

强调下,Websocket通过在客户端和服务端之间的第一次握手时将HTTP协议升级到Websocket协议,建立连接后,后面的消息是直接在websocket接口定义的方法上来回传送。

WebSocket 实例

WebSocket协议本质上是一个基于 TCP 的协议。调用WebSocket构造函数创建一个WebSocket连接,返回WebSocket的对象实例。

websocket协议定义了两种URL方案

创建实例

/** * URL: 连接的目标 * protocols(选填):string | string[] 一个或一组协议名称*/​const ws = new WebSocket(URL, protocols)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。」

Websocket事件

Websocket是纯事件驱动的,可以通过监听Websocket对象上的事件处理数据输入和连接状态改变,以下为Websocket对象的4个事件。

Websocket方法

Websocket对象属性

常量特性取值状态
Websocket.CONNECTING0连接进行中,但还未建立成功
Websocket.OPEN1连接已经建立,可以正常发送消息
Websocket.CLOSING2连接正在进行关闭握手
Websocket.CLOSED3表示连接已经关闭或者连接不能打开。
备注:不同浏览器支持不同,亲测微信小程序没有这个属性。

当要检查发往服务器的缓冲数据量,特别是客户端向服务器发送大量数据。尽管调用send()连接是立即生效的,但是数据在互联网上的传输却不是这样。浏览器将为你的客户端应用程序缓存出栈数据,从而使你可以随时调用send(), 但如果你想知道数据在网络上的传输速率,Websocket对象可以告诉你缓存的大小。因此可以用bufferedAmount检查已经进入队列,但是尚未发送到服务器的字节数。

用Websocket搭建一个简易聊天室

以上是websocket的基础概念,现在咱们就来手动实现一个聊天室demo。




fighting

创建连接

使用ws搭建一个简单的Websocket连接。ws是一个第三方的Websocket通信模块,是基于Node.js构建的。

  1. 首先需要安装下ws
npm i ws
  1. 服务端逻辑:创建一个server.js文件,建立Websocket连接,启动服务(这里使用的3000端口)。使用ws第三方插件,new一个Websocket实例,接着监听connection连接成功后,在connection内部编写连接后的逻辑。监听onmessage事件获取收到的消息,监听onclose事件处理连接断开的逻辑,使用send方法向客户端发送消息。
const Websocket = require('ws')const wss = new Websocket.Server({ port: 3000 })wss.on('connection', function (ws) { // 有客户端连接进来 ws.on('message', function (message) { console.log('server receive message: ', message.toString()) }) ws.send('msg from server!') ws.on('close', function (message) { console.log('连接断开', message) })})
  1. 客户端逻辑:这里用Vue搭建了一个基础项目,在home.vue创建连接。使用原生的WebSocket创建一个ws实例,通过onopen方法监听WebSocket连接是否成功,此后所有的消息收发处理都要在连接打开状态,即readyState为1时处理即可。接着在open种处理用户登录聊天室逻辑,使用onmessage接收服务端消息,onclose用于监听连接断开并进行相应的处理,close方法则可以用户离开聊天室时手动调用。
home.vue

this.ws = new WebSocket('ws://localhost:3000')console.log('before open', this.ws.readyState) // 0this.ws.onopen = () => { // 监听到连接成功 console.log('onopen', this.ws.readyState) // 1 this.roomOpen = true this.ws.send(JSON.stringify({ userId: this.userName, userName: this.nickname, roomId: item.roomId, roomName: item.name, event: 'login', // 向服务端发送一条登陆消息,并携带对应房间信息和用户信息 }))}// 收到消息的回调this.ws.onmessage = (message) => { console.log('The client receives the message', message)}// 收到连接断开通知this.ws.onclose = () => { // 监听websocket关闭的回调 console.log('onclose', this.ws.readyState)}// 手动断开websocket连接close () { this.ws && this.ws.close()}
  1. 可以在调试面板中查看连接状态和消息收发

统计多个聊天室和用户在线状态

创建多个聊天室的逻辑在服务端进行,这里我们根据roomId来区分多个聊天室,先创建一个用来存储roomId的数组,每当创建一个新的聊天室就往数组中加一个roomId。如果进入的是已有房间,则在已有的房间在线人数的基础上把人数加1。而前端则需要负责发送用户登陆登出通知及对应用户信息给服务端,并根据服务端发送的消息进行页面所需信息的渲染,代码如下:

「home.vue」

this.ws.onopen = () => { this.roomOpen = true this.ws.send(JSON.stringify({ userId: this.userName, userName: this.nickname, roomId: item.roomId, roomName: item.name, event: 'login', })) }, 25000)}this.ws.onmessage = (message) => { const data = JSON.parse(message.data) this.onlineNum = data.num if (data.event === 'login') { // 有其他用户进入房间消息 this.msgList.push({ content: `欢迎${data.userName}进入${data.roomName}房间~`, }) } else if (data.event === 'logout') { // 有其他用户离开房间消息 console.log('logout', data) this.msgList.push({ content: `${data.userName}离开房间`, }) } else { // 普通消息 const self = this.userId === data.userId if (self) return this.msgList.push({ name: data.userName, self: false, content: data.content, }) } }「server.js」

ws.on('message', function (message) { console.log('server receive message: ', message.toString()) const data = JSON.parse(message.toString()) if (typeof ws.roomId === 'undefined' && data.roomId) { ws.roomId = data.roomId if (typeof group[ws.roomId] === 'undefined') { group[ws.roomId] = 1 } else { group[ws.roomId]++ } } data.num = group[ws.roomId] wss.clients.forEach(client => { if (client.readyState === Websocket.OPEN && client.roomId === ws.roomId) { client.send(JSON.stringify(data)) } })}) ws.on('close', function (message) { // 监听到聊天室关闭后,将在线人数减1,并将退出房间的消息推送给其他客户端,更新页面的在线人数 group[ws.roomId]-- wss.clients.forEach(function each (client) { if (client !== ws && client.readyState === Websocket.OPEN && client.roomId === ws.roomId) { client.send(JSON.stringify({ ...ws.enterInfo, event: 'logout', num: group[ws.roomId], })) } })})

心跳保活

由于在长连接的场景下,客户端和服务端并不是一直处于通信状态,如果双方长期没有沟通,就不清楚对方目前是否还在连接中,因此需要发送一段很小的报文告诉对方“我还活着”,来保证连接正常。

心跳保活
如上图所示,在应用层通常是由客户端发送一个心跳包 ping 到服务端,服务端收到后响应一个 pong 表明双方都活得好好的。

其他目的:

举个例子,当个人计算机用户使用TCP/IP向一个使用Telnet的主机注册时。如果在一天结束时,他们仅仅关闭了电源而没有注销,那么便会留下一个半开放的连接。如果客户端已经消失了,使得在服务器上留下一个半开放连接,而服务器又在等待来自客户的数据,则服务器将永远等待下去。「保活功能就是试图在服务器端检测到这种半开放的连接。」

而对于服务器而言,能够及时获悉连接可用性也非常重要:一方面服务器需要及时清理无效连接以「减轻负载」,另一方面也是业务的需求,如游戏副本中服务器需要及时处理玩家掉线带来的问题。

下面是心跳保活的代码实现。

「home.vue」

this.ws.onopen = () => { if (this.heartbeatTimer !== -1) { clearInterval(this.heartbeatTimer) this.heartbeatTimer = -1 } this.heartbeatTimer = setInterval(() => { if (this.heartBeatTimeoutJob !== -1) { clearTimeout(this.heartBeatTimeoutJob) this.heartBeatTimeoutJob = -1 } this.heartBeatTimeoutJob = setTimeout(() => { console.log('心跳超时') }, 10000) this.ws.send(JSON.stringify({ event: 'heartBeat', content: 'ping', })) console.log('send ping') }, 25000)}this.ws.onmessage = (message) => { console.log('onmessage', message) const data = JSON.parse(message.data) console.log('message.data: ', data) if (data.event === 'heartBeat' && data.content === 'pong') { console.log('receive server pong') if (this.heartBeatTimeoutJob !== -1) { clearTimeout(this.heartBeatTimeoutJob) this.heartBeatTimeoutJob = -1 } return }} this.ws.onclose = () => { console.log('onclose', this.ws.readyState) clearInterval(this.heartbeatTimer) this.heartbeatTimer = -1 clearTimeout(this.heartBeatTimeoutJob) this.heartBeatTimeoutJob = -1 }在home.vue中,我们在监听到onopen后,创建了一个定时器heartbeatTimer,来隔段时间向服务器发送还活着的ping消息。同时在heartbeatTimer内部创建一个定时器heartBeatTimeoutJob来检查服务器是否有回复pong消息,当没有在heartBeatTimeoutJob设定的时间内收到服务器的pong消息,就视为心跳超时,在这里监听到心跳超时后,可以进行断连并重连操作。

heartBeatTimer的时长应比heartBeatTimeoutJob要长,否则不会有heartBeatTimeoutJob超时的情况,具体时长可以根据自己的需要来定。

当在onmessage回调中收到服务端的pong消息,需要将监听心跳超时定时器heartBeatTimeoutJob清除并重置。这里还要注意的是,在每次新建定时器前需要判断当前环境中是否有已经有同名定时器并清除,避免定时器多次运行出现bug。且每次在关闭Websocket连接时,也要及时清除定时器,否则即使用户已经离开了房间,后台的定时器也不会停止运行,可能造成内存泄漏和其他未知问题。

「server.js」

ws.on('message', function (message) { // console.log('wss', wss) console.log('server receive message: ', message.toString()) const data = JSON.parse(message.toString()) if (data.event === 'login') { ws.enterInfo = data } if (data.event === 'heartBeat' && data.content === 'ping') { console.log('receive ping message') ws.isAlive = true ws.send(JSON.stringify({ event: 'heartBeat', content: 'pong', })) return } if (typeof ws.roomId === 'undefined' && data.roomId) { ws.roomId = data.roomId if (typeof group[ws.roomId] === 'undefined') { group[ws.roomId] = 1 } else { group[ws.roomId]++ } } console.log('groun', group) data.num = group[ws.roomId] wss.clients.forEach(client => { if (client.readyState === Websocket.OPEN && client.roomId === ws.roomId) { client.send(JSON.stringify(data)) } }) })server.js中服务端应该也要有一个定时器校验心跳是否超时,如果超时则断开连接,并重新计算在线人数等。

消息必达

为什么要有消息必达

消息必达是为了处理长连过程中一些重要消息因为网络、服务器等原因,导致用户未收到消息的兼容处理。

消息丢失的几种情况:

  1. (1)中客户端发送给服务端消息的过程中消息丢失。这种情况无法处理。
  2. (2)(3)中如用户已经成功将消息成功发送给服务端,但是在服务端通知用户本人或者其他用户的过程中因为网络断开切换等原因发送失败,导致用户收不到消息。这种情况可通过ack手段使用户能收到重要消息,来提高消息触达率。
左(1) 中(2) 右(3)

ack机制处理消息必达

使用ack机制来处理消息必达,即当客户端收到消息后,需要发送一条ack回执,告诉服务端已经收到消息了。如果服务端未接收到客户端的ack消息,则理解为客户端未收到消息,将会重发此消息,以保证用户能够接收到消息。当客户端需要接收消息时,使用ack处理消息必达可能会有以下几种情况:

  1. 正常情况
  1. 故障情况
用户收到消息后,发送ack给服务端,在发送过程中网络中断等,导致服务端误以为客户端未收到消息,重发了消息,导致客户端显示了多条重复消息。(这只ack处理消息必达导致的问题,需要客户端配合做消息去重)。

结尾

websocket完善的功能还有房间鉴权,离线消息同步,漫游消息等,有兴趣的可以多了解下。

参考文档

书籍:《HTML5 WebSocket权威指南》

HTTP、socket、 Websocket的联系和区别:https://www.cnblogs.com/aspirant/p/11334957.html

长连接的心跳及重连设计:https://juejin.cn/post/6844903765875621896

websocket教程: https://juejin.cn/post/6844903977457287181

websocket教程:https://juejin.cn/post/6844903977457287181https://www.jmjc.tech/less/114

websocket编写聊天室:https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1022910821149312/1103332447876608

ws github: https://github.com/websockets/ws

websocket握手总结:https://blog.csdn.net/QQ729533020/article/details/99739827

关键词:入门

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