通用技术音视频篇 - WebSocket 浅析

七牛测试开发 · 2022年09月23日 · 4702 次阅读

1. WebSocket 概念

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的网络协议。意为：经过一次 TCP 握手就可以直接创建持久性连接，进而可实现服务端和客户端双向数据传输。websocket 的协议标识是 ws 和 wss

websocket 的应用场景：

在线聊天
协作文档编辑
大型多人在线游戏
股票交易应用
webrtc

2. 为什么需要 WebSocket 协议

2.1 WebSocket 的出现主要是为了弥补 HTTP 半双工通信的缺陷。

在 websocket 没有出现之前，为了让 http 能够实现即时通信，前辈们也做了一些研究，常用的有三种方法：

1. HTTP 轮询

HTTP 轮询（polling）：在固定的时间间隔，由浏览器向服务器发起 http 请求，无论服务器中的数据有没有更新，都会给客户端作出响应。

但如果知道信息交付的精确间隔，那么轮询也是一个好的方案，但对于一些实时的数据是不能预测的，所有就会导致发出一些不必要的请求。

2. 长轮询

长轮询（ long polling）：客户端向服务端请求信息，并在设定的时间段内打开一个连接。服务器如果没有任何信息，会保持请求打开，直到有客户端可用的信息，或者直到指定的超时时间用完为止。

长轮询中客户端必须频繁地重连到服务器以读取服务端的信息，会增大服务端到压力。

3. 流化技术

客户端向服务端发起一个长连接请求，服务端收到请求后响应它并不断更新连接状态，以确保连接在客户端与服务端之间一直有效。服务端可以通过这个连接将数据主动推送到客户端。

但存在一个问题：每当服务器有需要交付给客户端的信息时，它就会更新响应，但是服务器从不发出完成 http 响应，从而导致连接一直打开，在这种情况下，代理和防火墙可能会缓存一个响应，就会导致信息交付的延迟增加。

以上三种方法都实现了近乎实时的通信，但都涉及 HTTP 请求和响应，当然也包含了许多附加和不必要的延迟，此外，在每一种情况下，客户端必须主动给服务器发送消息，且客户端都必须等待请求返回，才能发出后续的请求，再一次增加了延迟。

2.2 websocket 与 http 有着良好的兼容性

默认端口是 80 和 443, 并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手的时候不容易屏蔽，能通过各种的 HTTP 代理。

3. WebSocket 通信原理

以七牛 webrtc demo 为例：https://demo-rtc.qnsdk.com/

详解：

每个 WebSocket 连接都开始于一个 http 请求，这个请求和其他请求类似，但是 websocket 连接请求中包含一个特殊的首标，Upgrade：websocket，意为：客户端想将 HTTP 协议升级为 websocket 协议。如果服务端同意，则响应 Connection：Upgrade，同时 101 Switching Protocols 也表示协议切换成功，这个过程叫做初始握手。

但为了成功地完成握手，websocket 服务器必须根据客户端请求消息中的 Sec-WebSocket-Key，响应 SHA-1 的信息摘要，即：Sec-WebSocket-Accept 。其中：Sec-WebSocket-Key 是一个随机字符串，服务端接收到 Key 之后，会对其进行加密，并进行 base-64 编码，然后将结果响应给客户端；客户端将 Key 使用同样的加密算法进行加密并进行 base-64 编码，当得到的值与服务端响应的值保持一致时，表示真正的握手成功。

至此，HTTP 已经完成了它所有的工作，接下来就是完全按照 Websocket 协议进行通信。

4. WebRTC 中 websocket 的使用

在 webrtc 中 websocket 充当信令服务器，那何为信令服务器？信令可理解为信息的传递或者命令的执行，主要是传输用户的一些信息。在 webrtc 中如果没有信令服务器，webrtc 之间是不能够通信的。

蓝色区域表示发送端（Caller）和接收端（Callee），如果两者想要传递媒体数据，那么有两个信息必须经过信令服务器交换；

1）媒体信息：通过 SDP 协议进行交换，SDP 是一个描述多媒体连接内容的协议，其中包含了分辨率、编解码方式、格式、是否支持音频、视频等。例如，Caller 想给 Callee 发一个 H264 的视频，需要先问一下 Callee 能不能解 H264 的视频，如果可以解码，则可以通信；如果 Callee 只能解 H265 的视频，则不可通信。

2）网络信息：通常指的是 ip 地址、端口、以及数据存放地址，我们称之为 ICE，这是一个基于 offer/answer 模式解决 NAT 穿越的协议集合。在 ICE 中主要包含 STUN+TURN 主要协议。当 Callee 想要接收数据时，需要将所有的网络相关的信息传到信令服务器，信令服务器再转发给 Caller，Caller 拿到信息之后，发现处于同一个局域网，则可通信，如果不在同一个局域网，则通过 TURN 协议进行 NAT 穿越，再利用 Relay 转发，两者即可通信。

因为 TCP 的超时时间为 60s，如果要保持长连接的话，最好加一个 ping/pong 的心跳检测，就是服务端给客户端发一个 ping 的消息（绿色），客户端再给服务端发送一个 pong 的消息（红色），就是在 server 端加一个定时调用函数setInterval，即可实现

setInterval(() => {
        connect.send('ping');
    }, 3000);

5. 使用 node.js 实现简易聊天室

第一步：实现服务器

安装第三方依赖库：nodejs-websocket

具体实现如下

const ws = require('nodejs-websocket')
const PORT = 3003
const TYPE_ENTER = 0
const TYPE_LEAVE = 1
const TYPE_MSG = 2

//1. 记录当前连接上来的总的用户数量
let count = 0
//2.conn每个连接到服务器的用户，都会有一个conn
const server = ws.createServer(conn => {
    console.log('有用户进来')
    count++
    conn.userName = `用户${count}`

    broadcast({
        type:TYPE_ENTER,
        msg:`${conn.userName}进入了聊天室`,
        time:new Date().toLocaleTimeString()
    })

    //每当接收到用户传递过来的数据，这个text事件会被触发
    conn.on('text',data =>{
        console.log('接受到用户的数据',data)  
        broadcast({
            type:TYPE_MSG,
            msg:data,
            time:new Date().toLocaleTimeString()
        })
    })

    conn.on('close',() => {
        console.log('连接断开了')
        count--
        broadcast({
            type:TYPE_LEAVE,
            msg:`${conn.userName}离开了聊天室`,
            time:new Date().toLocaleTimeString()
        })

    })
    conn.on('error',() => {
        console.log('用户连接异常')
    }) 
})

// 通过广播，给所有的用户发送消息
function broadcast(msg){
    //server.connections:表示所有用户
    server.connections.forEach(item => {
        item.send(JSON.stringify(msg))
    })
}
server.listen(PORT,() => {
    console.log('websocket服务启动成功了,监听了端口' + PORT)
})

第二步：实现客户端

<html>
    <head>
        <title>在线聊天室</title>
    </head>
    <body>   
        <input type="text" placeholder="输入内容">
        <button>发送请求</button>
        <!--接收消息-->
        <div></div>
        <script>     
            var input = document.querySelector('input');
            var button = document.querySelector('button');
            var div = document.querySelector('div');
            const TYPE_ENTER = 0
            const TYPE_LEAVE = 1
            const TYPE_MSG = 2
             //创建websocket对象
            var socket = new WebSocket('ws://localhost:3003');
            socket.addEventListener('open',function(){
                div.innerHTML = '连接服务器成功'

            })
            //主动给websocket服务发送消息
            button.addEventListener('click',function(){
                var value = input.value
                socket.send(value)
                input.value = ''
            })
            socket.addEventListener('message',function(e){
                var data = JSON.parse(e.data)
                var dv = document.createElement('div')
                dv.innerText = data.msg +'------'+data.time
                if(data.typy === TYPE_ENTER){
                    dv.style.color = 'green'
                }else if(data.typy === TYPE_LEAVE){
                    dv.style.color = 'red'
                }else{
                    dv.style.color = 'blue'
                }
                div.appendChild(dv)
            })
            socket.addEventListener('close',function(){
                div.innerHTML = '服务断开链接'
            })
        </script>

    </body>
</html>

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