socket.io 原理详解

在上一篇文章中，我们了解到 socket.io 是 基于engine.io 进行封装的库。 所以对engine.io不清楚的童鞋可以点击进行了解: engine.io 详解

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1.概述

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socket.io 是基于 Websocket 的Client-Server 实时通信库。 socket.io 底层使用engine.io 封装了一层协议。

两者的依赖关系可参考: package.json

2. WebSocket 简介

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Websocket 定义 参考规范 rfc6455

规范解释 Websocket 是一种提供客户端(提供不可靠秘钥)与服务端(校验通过该秘钥)进行双向通信的协议。

在没有websocket协议之前，要提供客户端与服务端实时双向推送消息，就会使用polling技术，客户端通过xhr或jsonp 发送消息给服务端，并通过事件回调来接收服务端消息。

这种技术虽然也能保证双向通信，但是有一个不可避免的问题，就是性能问题。客户端不断向服务端发送请求，如果客户端并发数过大，无疑导致服务端压力剧增。因此，websocket就是解决这一痛点而诞生的。

这里再延伸一些名词:

• 长轮询 客户端向服务端发送xhr请求,服务端接收并hold该请求，直到有新消息push到客户端，才会主动断开该连接。然后，客户端处理该response后再向服务端发起新的请求。以此类推。

HTTP1.1默认使用长连接，使用长连接的HTTP协议，会在响应头中加入下面这行信息: Connection:keep-alive

• 短轮询:

客户端不管是否收到服务端的response数据，都会定时想服务端发送请求，查询是否有数据更新。

• 长连接 指在一个TCP连接上可以发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，则双方就需要发送心跳包来维持此连接。

连接过程: 建立连接——数据传输——...——(发送心跳包，维持连接)——...——数据传输——关闭连接

• 短连接 指通信双方有数据交互时，建立一个TCP连接，数据发送完成之后，则断开此连接。

连接过程: 建立连接——数据传输——断开连接——...——建立连接——数据传输——断开连接

Tips

这里有一个误解，长连接和短连接的概念本质上指的是传输层的TCP连接，因为HTTP1.1协议以后，连接默认都是长连接。没有短连接说法(HTTP1.0默认使用短连接)，网上大多数指的长短连接实质上说的就是TCP连接。 http使用长连接的好处: 当我们请求一个网页资源的时候，会带有很多js、css等资源文件，如果使用的时短连接的话，就会打开很多tcp连接，如果客户端请求数过大，导致tcp连接数量过多，对服务端造成压力也就可想而知了。

• 单工 数据传输的方向唯一，只能由发送方向接收方的单一固定方向传输数据。
• 半双工 即通信双方既是接收方也是发送方，不过，在某一时刻只能允许向一个方向传输数据。
• 全双工: 即通信双方既是接收方也是发送方，两端设备可以同时发送和接收数据。

Tips

单工、半双工和全双工 这三者都是建立在 TCP协议(传输层上)的概念，不要与应用层进行混淆。

3. 什么是Websocket

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Websocket 协议也是基于TCP协议的，是一种双全工通信技术、复用HTTP握手通道。

Websocket默认使用请求协议为:ws://,默认端口:80。对TLS加密请求协议为:wss://，端口:443。

3.1 特点

• 支持浏览器/Nodejs环境
• 支持双向通信
• API简单易用
• 支持二进制传输
• 减少传输数据量

3.2 建立连接过程

Websocket复用了HTTP的握手通道。指的是，客户端发送HTTP请求，并在请求头中带上Connection: Upgrade 、Upgrade: websocket，服务端识别该header之后，进行协议升级，使用Websocket协议进行数据通信。

参数说明

• Request URL 请求服务端地址
• Request Method 请求方式 (支持get/post/option)
• Status Code 101 Switching Protocols

RFC 7231 规范定义

规范解释: 当收到101请求状态码时，表明服务端理解并同意客户端请求，更改Upgrade header字段。服务端也必须在response中，生成对应的Upgrade值。

• Connection 设置upgrade header,通知服务端，该request类型需要进行升级为websocket。 upgrade_mechanism 规范

• Host 服务端 hostname

• Origin 客户端 hostname:port

• Sec-WebSocket-Extensions 客户端向服务端发起请求扩展列表(list)，供服务端选择并在响应中返回

• Sec-WebSocket-Key 秘钥的值是通过规范中定义的算法进行计算得出，因此是不安全的，但是可以阻止一些误操作的websocket请求。

• Sec-WebSocket-Accept 计算公式: 1. 获取客户端请求header的值: Sec-WebSocket-Key 2. 使用魔数magic = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11' 3. 通过SHA1进行加密计算, sha1(Sec-WebSocket-Key + magic) 4. 将值转换为base64

• Sec-WebSocket-Protocol 指定有限使用的Websocket协议，可以是一个协议列表(list)。服务端在response中返回列表中支持的第一个值。

• Sec-WebSocket-Version 指定通信时使用的Websocket协议版本。最新版本:13,历史版本

• Upgrade 通知服务端，指定升级协议类型为websocket

3.3 数据帧格式

数据格式定义参考：规范 RFC6455

  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

• FIN: 1 bit 如果该位值为1，表示这是message的最终片段(fragment)，如果为0，表示这是一个message的第一个片段。
• RSV1, RSV2, RSV3: 各占1 bit 一般默认值是0，除非协商扩展，为非零值进行定义，否则收到非零值，并且没有进行协商扩展定义，则websocket连接失败。
• Opcode: 4 bits 根据操作码(Opcode),解析有效载荷数据(Payload data).如果接受到未定义操作码，则应该断开websocket连接。
• Mask: 1 bit 定义是否需要的载荷数据(``Payload data)，进行掩码操作。如果设置值为1，那么在Masking-key中会定义一个掩码key,并用这个key对载荷数据进行反掩码(unmask)操作。所有从客户端发送到服务端的数据帧(frame),mask都被设置为1.
• Payload length: 7 bits, 7+16 bits, or 7+64 bits 载荷数据的长度。
• Masking-key: 0 or 4 bytes 所有从客户端传送到服务端的数据帧，数据载荷都进行了掩码操作，Mask为1，且携带了4字节的Masking-key。如果Mask为0，则没有Masking-key。
• Payload data: (x+y) bytes

3.4 心跳检测

为了确保客户端与服务端的长连接正常，有时即使客户端连接中断，但是服务端未触发onclose事件，这就有可能导致无效连接占用。所以需要一种机制，确保两端的连接处于正常状态，心跳检测就是这种机制。客户端每隔一段时间，会向服务端发送心跳(数据包)，服务端也会返回response进行反馈连接正常。

4. socket.io 简介

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socket.io与engine.io的一大区别在于，socket.io并不直接提供连接功能，而是在engine.io层提供。

socket.io提供了一个房间(Namespace)概念。当客户端创建一个新的长连接时，就会分配一个新的Namespace进行区分。

根据流程图，可以看出:

• 创建长连接的方式有三种: websocket、xhr、jsonp。其中，后两种使用长轮询的方式进行模拟。
• 所谓的长轮询是指，客户端发送一次request，当服务端有消息推送时会push一条response给客户端。客户端收到response后，会再次发送request，重复上述过程，直到其中一端主动断开连接为止。

// lookup 源码
var parsed = url(uri)
var source = parsed.source
var id = parsed.id
var path = parsed.path
// 查找相同房间
var sameNamespace = cache[id] && path in cache[id].nsps
// 如果房间号已存在，创建新连接
var newConnection = sameNamespace
// ...

socket.io也提供支持多路复用(built-in multiplexing )方式，这表明每一个数据包(Packet)都始终属于给定的namespace，并有path进行标识(例如: /xxxx)

socket.io可以在 open 之前，emit 消息，并且该消息会在 open 之后发出。而engine.io必须等到open 之后，才能 send消息。

socket.io也支持断网重连(reconnection)功能。

5. socket.io 工作流程

当使用socket.io创建一个长连接时，到底发生了什么呢?下面我们就来进入本文的正体:

const socket = io('http://localhost', {
  path: '/myownpath'
});

首先，socket.io通过一个http请求,并且该请求头中带有升级协议(Connection:Upgrade、Upgrade:websocket)等信息，告诉服务端准备建立连接，此时，后端返回的response数据。 数据格式如下:

0{"sid":"ab4507c4-d947-4deb-92e4-8a9e34a9f0b2","upgrades":["websocket"],"pingInterval":25000,"pingTimeout":60000}

• 0: 代表open标识
• sid: session id
• upgrades: 升级协议类型
• pingInterval： ping的间隔时长
• pingTimeout： 判断连接超时时长

当客户端收到响应之后，scoket.io会根据当前客户端环境是否支持Websocket。如果支持，则建立一个websocket连接，否则使用polling(xhr、jsonp)长轮询进行双向数据通信。

6. socket.io 协议解析

socket.io协议中定义的数据格式称之为Pakcet ，每一个Packet都含有nsp的对象值。

Packet

编码包可以是UTF8或二进制数据，编码格式如下:

<包类型id>[<data>]

例如:

2probe

包类型id(packet type id)是一个整型，具体含义如下:

• 0 open 当打开一个新传输时，服务端检测并发送
• 1 close 请求关闭传输，但不是主动断开连接
• 2 ping 客户端发出，服务端应该返回包含相同数据的pong packet进行应答
• 3 pong 服务端发出，用以响应客户端的ping packet
• 4 message 真实数据，客户端和服务端应该调用回调中的data

// 服务端发送 
send('4HelloWorld')
// 客户端接收数据并调用回调 
socket.on('message', function (data) { console.log(data); });
// 客户端发送 
send('4HelloWorld')
// 服务端接收数据并调用回调 
socket.on('message', function (data) { console.log(data); })

• 5 upgrade 在engine.io切换传输之前，它会测试服务器和客户端是否可以通过此传输进行通信。如果此测试成功，客户端将发送升级数据包，请求服务器刷新旧传输上的缓存并切换到新传输。
• 6 noop noop packet。主要用于在收到传入的websocket连接时强制轮询周期。
  1. 客户端通过新的传输连接
  2. 客户端发送 2send
  3. 服务端接收并发送 3probe
  4. 客户端结束并发送 5
  5. 服务端刷新并关闭旧的传输连接并切换到新传输连接

7. socket.io 全家桶

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区别

• engine.io-parser engine.io协议编码的js解析器。engine.io 协议规范

• socket.io

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• socket.io-adapter

• socket.io-redis

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