web Socket與netty框架支援高併發
阿新 • • 發佈：2019-02-15
ONE、分析HTTP與WEB SOCKET的優缺點：
一、HTTP協議的弊端
將HTTP協議的主要弊端總結如下：
(1)半雙工協議：可以在客戶端和服務端2個方向上傳輸，但是不能同時傳輸。同一時刻，只能在一個方向上傳輸。
(2) HTTP訊息冗長：相比於其他二進位制協議，有點繁瑣。
(3) 針對伺服器推送的黑客攻擊，例如長時間輪詢。
現在很多網站的訊息推送都是使用輪詢，即客戶端每隔1S或者其他時間給伺服器傳送請求，然後伺服器返回最新的資料給客戶端。HTTP協議中的Header非常冗長，因此會佔用很多的頻寬和伺服器資源。
比較新的技術是Comet，使用了AJAX輪詢。雖然可以雙向通訊，但是依然需要傳送請求，而且在Comet中，普遍採用了長連線，也會大量消耗伺服器的頻寬和資源。
但是為了解決這個問題，HTML5定義的WebSocket協議。
TWO、WebSocket協議介紹：
在WebSocket API中，瀏覽器和伺服器只需要一個握手的動作，然後，瀏覽器和伺服器之間就形成了一條快速通道，兩者就可以直接互相傳送資料了。
WebSocket基於TCP雙向全雙工協議，即在同一時刻，即可以傳送訊息，也可以接收訊息，相比於HTTP協議，是一個性能上的提升。
特點：
單一的TCP連線，全雙工；
對代理、防火牆和路由器透明；
無安全開銷；
通過”ping/pong”幀保持鏈路啟用;
伺服器可以主動傳遞訊息給客戶端，不再需要客戶端輪詢；
無頭部資訊、Cookie和身份驗證；
擁有以上特點的WebSocket就是為了取代輪詢和Comet技術，使得客戶端瀏覽器具備像C/S架構下桌面系統一樣的實時能力。
瀏覽器通過js建立一個WebSocket的請求，連線建立後，客戶端和伺服器端可以通過TCP直接交換資料。
因為WebSocket本質上是一個TCP連線，穩定，所以在Comet和輪詢比擁有效能優勢。
THREE、WebSocket連線
1、client連線建立：
client端傳送握手請求，這個請求和普通的HTTP請求不同，包含了一些附加頭資訊，其中附加頭資訊”Upgrade: Websocket”表明這是一個申請協議升級的HTTP請求。伺服器嘗試解析這個資訊，然後返回應答資訊給客戶端，因此客戶端和伺服器端的WebSocket連線就建立起來了，雙方可以通過這個連線通道自由的傳遞資訊。這個連線會持續到某一方主動斷開連線。
2、服務端的應答請求：
client訊息中的”Sec-WebSocket-Key”是隨機的，伺服器端會用這些資料來構造一個”SHA-1”的資訊摘要，把”Sec-WebSocket-Key”加上一個魔幻字串。使用”SHA-1”加密，然後進行BASE64編碼，將結果作為”Sec-Webscoket-Accept”頭的值。
3、生命週期：
握手成功，連線建立後，以”Messages”的方式通訊。一個訊息由一個或者多個”幀”組成。幀都有自己的型別，同一訊息的多個幀型別相同。廣義上，型別可以是文字、二進位制、控制幀如訊號。
4、連線關閉：
安全方法是關閉底層TCP連線以及TLS會話。底層的TCP連線，正常情況下，應該由伺服器先關閉。異常時(比如合理的時間內沒有接收到伺服器的TCP Close)，可以由客戶端發起TCP Close。因此，在client發起TCP Close時，伺服器應該立即發起一個TCP Close操作；客戶端則等待伺服器的TCP Close；關閉訊息帶有一個狀態碼和可選的關閉原因，它必須按照協議要求傳送一個Close控制幀。
FOUR、協議開發
官方demo:
服務端：
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;
public class WebSocketServer {
public void run(int port) throws Exception {
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch)
throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
pipeline.addLast("http-codec",
new HttpServerCodec());
pipeline.addLast("aggregator",
new HttpObjectAggregator(65536));
ch.pipeline().addLast("http-chunked",
new ChunkedWriteHandler());
pipeline.addLast("handler",
new WebSocketServerHandler());
}
});
Channel ch = b.bind(port).sync().channel();
System.out.println("Web socket server started at port " + port
+ '.');
System.out
.println("Open your browser and navigate to http://localhost:"
+ port + '/');
ch.closeFuture().sync();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
int port = 8080;
if (args.length > 0) {
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (NumberFormatException e) {
e.printStackTrace();
}
}
new WebSocketServer().run(port);
}
}HttpServerCodec：將請求和應答訊息解碼為HTTP訊息
HttpObjectAggregator：將HTTP訊息的多個部分合成一條完整的HTTP訊息
ChunkedWriteHandler：向客戶端傳送HTML5檔案
netty框架應用：
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.HttpUtil;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.*;
import io.netty.util.CharsetUtil;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.BAD_REQUEST;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpVersion.HTTP_1_1;
public class WebSocketServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
private static final Logger logger = Logger
.getLogger(WebSocketServerHandler.class.getName());
private WebSocketServerHandshaker handshaker;
@Override
public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
throws Exception {
// 傳統的HTTP接入
if (msg instanceof FullHttpRequest) {
handleHttpRequest(ctx, (FullHttpRequest) msg);
}
// WebSocket接入
else if (msg instanceof WebSocketFrame) {
handleWebSocketFrame(ctx, (WebSocketFrame) msg);
}
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.flush();
}
private void handleHttpRequest(ChannelHandlerContext ctx,
FullHttpRequest req) throws Exception {
// 如果HTTP解碼失敗，返回HHTP異常
if (!req.decoderResult().isSuccess()
|| (!"websocket".equals(req.headers().get("Upgrade")))) {
sendHttpResponse(ctx, req, new DefaultFullHttpResponse(HTTP_1_1,
BAD_REQUEST));
return;
}
// 構造握手響應返回，本機測試
WebSocketServerHandshakerFactory wsFactory = new WebSocketServerHandshakerFactory(
"ws://localhost:8080/websocket", null, false);
handshaker = wsFactory.newHandshaker(req);
if (handshaker == null) {
WebSocketServerHandshakerFactory
.sendUnsupportedVersionResponse(ctx.channel());
} else {
handshaker.handshake(ctx.channel(), req);
}
}
private void handleWebSocketFrame(ChannelHandlerContext ctx,
WebSocketFrame frame) {
// 判斷是否是關閉鏈路的指令
if (frame instanceof CloseWebSocketFrame) {
handshaker.close(ctx.channel(),
(CloseWebSocketFrame) frame.retain());
return;
}
// 判斷是否是Ping訊息
if (frame instanceof PingWebSocketFrame) {
ctx.channel().write(
new PongWebSocketFrame(frame.content().retain()));
return;
}
// 本例程僅支援文字訊息，不支援二進位制訊息
if (!(frame instanceof TextWebSocketFrame)) {
throw new UnsupportedOperationException(String.format(
"%s frame types not supported", frame.getClass().getName()));
}
// 返回應答訊息
String request = ((TextWebSocketFrame) frame).text();
if (logger.isLoggable(Level.FINE)) {
logger.fine(String.format("%s received %s", ctx.channel(), request));
}
ctx.channel().write(
new TextWebSocketFrame(request
+ " , 歡迎使用Netty WebSocket服務，現在時刻："
+ new java.util.Date().toString()));
}
private static void sendHttpResponse(ChannelHandlerContext ctx,
FullHttpRequest req, FullHttpResponse res) {
// 返回應答給客戶端
if (res.getStatus().code() != 200) {
ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer(res.getStatus().toString(),
CharsetUtil.UTF_8);
res.content().writeBytes(buf);
buf.release();
HttpUtil.setContentLength(res, res.content().readableBytes());
}
// 如果是非Keep-Alive，關閉連線
ChannelFuture f = ctx.channel().writeAndFlush(res);
if (!HttpUtil.isKeepAlive(req) || res.status().code() != 200) {
f.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}(1) 第一次握手由HTTP協議承載，所以是一個HTTP訊息，根據訊息頭中是否包含"Upgrade"欄位來判斷是否是websocket。
(2) 通過校驗後，構造WebSocketServerHandshaker，通過它構造握手響應資訊返回給客戶端，同時將WebSocket相關的編碼和解碼類動態新增到ChannelPipeline中。
下面分析鏈路建立之後的操作：
(1) 客戶端通過文字框提交請求給服務端，Handler收到之後已經解碼之後的WebSocketFrame訊息。
(2) 如果是關閉按鏈路的指令就關閉鏈路
(3) 如果是維持鏈路的ping訊息就返回Pong訊息。
(4) 否則就返回應答訊息HTML測試：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
Netty WebSocket 時間伺服器
</head>
<br>
<body>
<br>
<script type="text/javascript">
var socket;
if (!window.WebSocket) {
window.WebSocket = window.MozWebSocket;
}
if (window.WebSocket) {
socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/websocket");
socket.onmessage = function (event) {
var ta = document.getElementById('responseText');
ta.value = "";
ta.value = event.data
};
socket.onopen = function (event) {
var ta = document.getElementById('responseText');
ta.value = "開啟WebSocket服務正常，瀏覽器支援WebSocket!";
};
socket.onclose = function (event) {
var ta = document.getElementById('responseText');
ta.value = "";
ta.value = "WebSocket 關閉!";
};
}
else {
alert("抱歉，您的瀏覽器不支援WebSocket協議!");
}
function send(message) {
if (!window.WebSocket) {
return;
}
if (socket.readyState == WebSocket.OPEN) {
socket.send(message);
}
else {
alert("WebSocket連線沒有建立成功!");
}
}
</script>
<form onsubmit="return false;">
<input type="text" name="message" value="Netty最佳實踐"/>
<br><br>
<input type="button" value="傳送WebSocket請求訊息" onclick="send(this.form.message.value)"/>
<hr color="blue"/>
<h3>服務端返回的應答訊息</h3>
<textarea id="responseText" style="width:500px;height:300px;"></textarea>
</form>
</body>
</html>