WebSocket协议 与 IO多路复用

最近在把 Facebook Message 接入客服系统,由于与 Facebook Message 对接的收发消息都是通过调用 http 接口来实现的,如果想实现即时通讯,还需要在中间加一个 WebSocket 来转发消息。如下图:

WebSocket协议 与 IO多路复用

其中用到了 WebSocket 协议和 IO多路复用相关的知识。在这里做一个学习记录。

为什么需要 WebSocket 协议

  • 因为 HTTP 协议有一个缺陷:通信只能先由客户端发起,然后服务器再作出响应,并不能由服务器主动向客户端推送消息。
  • WebSocket 协议最大的特点是,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。

WebSocket 与 socket 的之间关系

  • WebSocket 是一个网络通信协议,是属于网络七层模型中的应用层的协议,同样属于应用层的协议还有 HTTP 协议、FTP协议、SMTP协议等等。
  • 而 socket 是操作系统提供的一套接口,利用这一套接口就可以编写程序实现进程之间的通信、网络通信等功能。

一个 WebSocket 连接是如何建立起来的

WebSocket 连接的初期是基于 HTTP 协议的,假如 WebSocket 的地址是这个:wss://www.xxx.com/websocket ,在连接 WebSocket 的初期浏览器首先会向这个地址发出一个 HTTP GET 请求,请求头信息截图如下:

WebSocket协议 与 IO多路复用

红色框标出的是比较重要的请求头:

  • Connection: Upgrade 告诉服务端这个连接需要升级。
  • Upgrade: websocket 告诉服务端需要升级到 WebSocket 协议。
  • Sec-WebSocket-Key: d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA== 是浏览器随机生成的一个字符串。

服务端接收到这个 HTTP 请求,会作出响应,响应头的截图如下:

WebSocket协议 与 IO多路复用

红色框标出的是比较重要的响应头:

  • HTTP/1.1 101 Switching Protocols 告诉浏览器,服务端已经成功切换了协议。
  • Sec-WebSocket-Accept: axMY+KY1i8F9y9zyUMPhrfuYtPw= 这个是服务端拿到请求头中的 Sec-WebSocket-Key: d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA==,在 d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA== 后面拼接一个固定的字符串 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ,对拼接后的字符串做SHA1,得到16进制表示的字符串,将每两位当作一个字节进行分隔,得到字节数组,再对这个字节数组做Base64,得到最后的结果,把最后的结果放到 Sec-WebSocket-Accept 响应头里返回。

浏览器也会使用同样的算法把请求头中的 Sec-WebSocket-Key 算出一个结果,将这个结果与服务端返回的 Sec-WebSocket-Accept 做对比。就像对暗号一样,两边的暗号相同,WebSocket 连接就会被建立起来。这个过程也叫做握手,握手成功后,就可以愉快的使用这个 WebSocket 连接来收发消息了。

操作系统提供的 socket 接口

WebSocket 的通信,其实是利用了操作系统给我们提供的一套 socket 编程接口。接下来,我把 Linux 系统中给我们提供的 socket 头文件找出来,看看里面有哪些接口提供给我们使用,以及每个接口的作用是什么。找到 socket.h 头文件在如下位置:

WebSocket协议 与 IO多路复用

打开 socket.h 文件:

WebSocket协议 与 IO多路复用

WebSocket协议 与 IO多路复用

WebSocket协议 与 IO多路复用

打开另一个目录下的 socket.h 文件:

WebSocket协议 与 IO多路复用

socket 编程的流程如下:

WebSocket协议 与 IO多路复用

在 socket 服务端除了用到上面流程图列出来的函数,还用到了 setsockopt() 函数,这个函数可以用来设置一些 socket 选项。比如:我在开发调试的过程中,改完代码后需要杀掉运行中的 socket 进程,重新运行新编译出来的 socket。这时候经常会运行失败,原因是进程是立马被杀掉了,但是原来被进程监听的那个端口会进入 TIME_WAIT 状态,而不会立即被释放出来。解决方法有两个:1、杀掉进程后等一会儿,端口被释放了就能被再次使用了。2、在绑定端口之前,利用 setsockopt() 函数,给端口设置一个 SO_REUSEPORT 选项,这样杀掉这个进程后立马重新运行这个进程,也不会运行失败。

IO 多路复用(IO Multiplexing)

在项目中还用到了IO 多路复用:

  • 什么是 IO ?答:计算机的输入和输出(Input、Output)
  • 什么是 IO 多路复用?答:网上看到一个例子比较有意思。假如一个班有 50 名学生,老师在黑板上布置了一道题目让学生做,
    如果老师按照学号先看 1 号学生做出来没有,做出来了就检查他,还没做出来就在原地等他做出来,然后检查他,检查完 1 号学生才轮到 2 号学生......这个就是单进程/单线程。
    如果老师能分身,一共分出 50 个分身,每个学生旁边站一个老师......这就是多进程/多线程。
    如果老师站在讲台上,有哪位学生做完了就举手,老师下去检查他,检查完老师又回到讲台上,看有哪位同学举手,然后去检查他......这就是 IO 多路复用。

IO 多路复用有3 种:select、poll、epoll。在项目中用到的是 epoll。接下来,我把 Linux 系统中给我们提供的 epoll 头文件找出来,看看里面有哪些接口提供给我们使用,以及每个接口的作用是什么。找到 epoll.h 头文件在如下位置:

WebSocket协议 与 IO多路复用

打开 epoll.h 文件:

WebSocket协议 与 IO多路复用

WebSocket协议 与 IO多路复用

WebSocket协议 与 IO多路复用

epoll 的使用流程如下:

WebSocket协议 与 IO多路复用

看到网上有文章说 redis 和 nginx 也有使用 epoll,为了验证他讲的是不是真的。我们找 redis 和 nginx 的源码看一看:

WebSocket协议 与 IO多路复用

WebSocket协议 与 IO多路复用

果然 redis 和 nginx 的源码里面都有使用 epoll。

WebSocket 编程,还有其他方案

Swoole 扩展:

  • 需要 php-7.1 或更高版本
  • 用法如下:
//创建WebSocket Server对象,监听0.0.0.0:9502端口
$ws = new Swoole\WebSocket\Server('0.0.0.0', 9502);

//监听WebSocket连接打开事件
$ws->on('open', function ($ws, $request) {
    var_dump($request->fd, $request->server);
    $ws->push($request->fd, "hello, welcome\n");
});

//监听WebSocket消息事件
$ws->on('message', function ($ws, $frame) {
    echo "Message: {$frame->data}\n";
    $ws->push($frame->fd, "server: {$frame->data}");
});

//监听WebSocket连接关闭事件
$ws->on('close', function ($ws, $fd) {
    echo "client-{$fd} is closed\n";
});

$ws->start();

想了解更多,请参考 Swoole 官方文档:https://wiki.swoole.com/#/

Workerman:

在学习 WebSocket 的过程中,还发现了一个纯 PHP 实现的框架:Workerman

  • 需要 PHP 5.3.3 或更高版本
  • 用法如下:
<?php
use Workerman\Worker;
require_once __DIR__ . '/Workerman/Autoloader.php';

// 注意:这里与上个例子不同,使用的是websocket协议
$ws_worker = new Worker("websocket://0.0.0.0:2000");

// 启动4个进程对外提供服务
$ws_worker->count = 4;

// 当收到客户端发来的数据后返回hello $data给客户端
$ws_worker->onMessage = function($connection, $data)
{
    // 向客户端发送hello $data
    $connection->send('hello ' . $data);
};

// 运行worker
Worker::runAll();

想了解更多,请参考 Workerman 官方文档:http://doc.workerman.net/

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